有限元分析在紡紗領域的應用研究進展

孟亞勇，曹繼鵬，韓賢國，張明光

(1.中原工學院 紡織服裝產業研究院，河南 鄭州 450000；2.遼東學院 服裝與紡織學院，遼寧 丹東 118003；3.遼東學院 化工與機械學院，遼寧 丹東 118003)

有限元法始于1943年提出，并于20世紀60年代在工程界得到廣泛的運用。有限元的主要思想是將一個連續的問題按照某種方法拆分成一系列小的單元，通過對小單元進行網格劃分，進而求出整體的結果。常見的有限元軟件有ANSYS、Abaqus、Patran/Nastran、Hypermesh等。有限元法廣泛應用于工程領域，如工程機械結構力學分析、柔性材料分析、氣流場分析、電場及復合場分析、地震模擬分析等。

本文詳細梳理了國內外有限元分析技術在紡紗設備及紡紗過程中的應用現狀以及技術瓶頸，以期將有限元分析軟件更好地應用于工程實際問題，為提升紡紗設備的性能、優選工藝提供有價值的參考。

1 有限元法在紡紗機件變形中的應用

1.1 開清設備

紡紗設備在生產過程中會產生劇烈的震動，部分機件因而會產生一定量的變形，給工藝控制和生產帶來一定的影響。郭斌杰曾對清花輥筒做了研究，通過對清花輥筒進行有限元靜力分析，依據輥筒離心機、輥筒質量、制造工時以及電動機功率確定了最優方案，同時證明了該輥筒結構的合理及安全性。

1.2 梳理設備

王永巖等利用PRO/E軟件對梳棉機機架做了三維模型，并應用ANSYS軟件進行分析，得到了梳棉機機架優化前后的等效應力云圖，優化后的機架增大了其固有頻率，總變形及等效應力都減小，提升了機架的強度和剛度，保證了設備的穩定性。

張鵬程也曾用有限元分析軟件ANSYS Workbench分析梳棉機機架在靜載及承受載荷情況下的強度、剛度及動態變形情況，梳棉機機架等效變形圖見圖1。由左側色柱代表的變形程度可知，通過對新型樹脂混凝土材料與鑄鐵機架材料相比較，采用樹脂混凝土機架的固有頻率明顯優于鑄鐵機架，在靜態性能上，由于鑄鐵的彈性模量較高，樹脂混凝土機架的剛度比鑄鐵機架要小一些，但不會影響機架的總體設計要求。研究得出，在外形尺寸相同的條件下，機架結構設計合理時，在靜動力性能方面樹脂混凝土機架優于鑄鐵機架。田成成對錫林的結構、受力載荷及材料等做過仿真優化分析，得出錫林機構在不同狀態下的應力及最大變形的分布情況，驗證了對錫林機構進行動平衡的必要性，得出錫林直徑在1 000 mm左右時對纖維的梳理是有益的，同時提出鋼纖維樹脂混凝土材料為錫林輥筒的優化材料。對于與錫林配合梳理的蓋板來說，如何提高梳棉機回轉蓋板的壽命也關系到梳棉機的梳理效率，吳洋用ANSYS Workbench對其進行研究，通過分析應力云圖及交變載荷作用下回轉蓋板的疲勞累積損傷系數及安全系數，驗證了蓋板設計的合理性。針對梳棉機道夫，雷菊珍通過道夫系統的多剛體運動仿真，得出隨著道夫轉速的提高，圓筒變形幾乎呈線性上升，并建議道夫采用較低的速度工作。

圖1 梳棉機機架等效變形圖Fig.1 Equivalent deformation diagram of card frame

有學者在CAE有限元模型基礎上對精梳機支撐機構系統利用ANSYS軟件進行研究，在不改變系統材料屬性的前提下，通過改變系統結構的方式來提高系統剛度，在系統剛度提高的同時，系統質量也隨之增加。在棉紡工藝過程中，鉗板機構的作用是利用上下鉗板口鉗持棉纖維叢，在錫林梳理時，防止可紡長纖維被錫林抓走，再將梳理后的新棉纖維叢送向分離羅拉鉗口與下一段棉纖維叢搭接，所以鉗板工作的好壞對精梳機的梳理效果有很大的影響。梁灼對精梳機鉗板動力學進行研究，通過對鉻合金、鋁合金及鈦合金材料的下鉗板進行過應力模擬，得到了響應的鉗板應力云圖，見圖2。由圖中左側色柱代表的應力大小可知，下鉗板為上述3種材料時，下鉗板工作時最大應力遠小于其許用應力，因此由高速精梳機的下鉗板應力集中而產生的破壞比較小，且3種材料鈦合金形變量最小，采用鈦合金下鉗板可以改善鉗板對纖維橫向的握持均勻性，減少可紡纖維的損失，提高梳理質量。

圖2 上鉗板3種合金材料應力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of three alloy materials on clamp plate.(a) Chromium alloy;(b) Aluminium alloy;(c) Titanium alloy

1.3 并條設備

賈成舉對并條機的喂入檢測裝置進行筒式結構和框式結構的有限元分析，通過擺臂力學建模，發現筒式結構和框式結構變形較大的地方都集中在2處，即彈簧力作用區域和凸羅拉加載區域，且筒式結構最大變形集中在彈簧力作用區，框式結構最大變形集中在凸羅拉加載處。從位移分析結構方面看，框式結構變形均勻，相比筒式結構有一定優勢。圈條盤是并條機上的一個重要構件，陳功等利用Pro/E對圈條機的圈條盤進行三維建模，并用ANSYS軟件進行了有限元模態分析，得出前6階固有頻率及振型，前3階圈條盤的頻率范圍為180～800 Hz，后3階頻率范圍為900～1 300 Hz，為圈條盤的進一步優化設計提供了理論依據。

1.4 粗細紗設備及配套器材和機件

錠翼是粗紗機加捻機構的關鍵部件，俞煥祥等利用有限元SAP84模塊計算了國內常見的鋼錠翼動態擴張量，得到了各種錠翼動態性能的相關數據，為錠翼結構設計及優化提供了理論依據。鐘輝等也曾對錠翼擴張量做過分析，其采用I-DEAS軟件得出的計算數值和實測值誤差在10%左右，理論上節點數越多，計算值越精確，誤差估計越接近實際情況。

有學者曾對細紗機邊界條件設置使用有限元分析技術，并且利用模態測試技術對機架進行有限元模型分析，通過改變機架系統邊界條件，利用有限元計算固有頻率并與實驗結果對比分析，得出其精度提高40%。張焱焱利用ANSYS進行模態分析確定了細紗機的固有頻率和相應的振型，為細紗機機架設計及優化提供了理論依據，同時也為系統的動態優化設計打下了基礎。對于細紗機而言，牽伸機構是細紗機的靈魂構件。有學者對細紗機的上下皮圈做過有限元分析，采用正確的橡膠材料做超彈性模型，在不同工作狀態下，對上下皮圈的摩擦接觸問題進行了分析，得到雙皮圈牽伸機構具有較強的中部摩擦力界分布，在運行過程中容易出現吊皮圈現象，從而導致上下皮圈接觸為零，甚至皮圈打折。通過計算，若加大張力棒的拉力，減小下銷和下皮帶間的摩擦因數，可以減小甚至消除吊皮圈現象。也有學者對細紗機雙皮圈做過靜態正壓力分析，得到了細紗機雙皮圈靜態正壓力分布情況，其分析結果和實際測量結果幾乎一致，這為分析和改進牽伸機構提供了理論依據。

自動落紗可有效提升紡紗效率。于祥通過SolidWork建立了落紗機的微型升降裝置模型，在Adams中進行了動力學仿真，為絲杠選擇提供了參考依據，并制作出了一種微型升降機構，通過絲杠順時針或逆時針轉動來實現落紗機的上升與下降，其升降豎直方向最大行程為180 mm，還可以實現絲杠自鎖，從而滿足工作要求。關于落紗機的使用方法，鞏健通過優化后的自動落紗機進行仿真分析，提出一種新型的集拔管、插管于一體的自動落紗機，其適用于錠距為70 mm的細紗機，1次拔取3個滿紗管，時間周期為3 s，可對不同氣缸進行選型，得到主氣缸所需氣壓及送進氣所需的氣壓。鄭杰等設計了一種粗紗機集體自動落紗裝置，對落紗機架進行了模態和諧響應分析，并對托板進行優化，提高了落紗機架一階和二階固有頻率的25.4%和37.4%，從而提高了機架的穩定性。落紗機械手是落紗的關鍵部位，張凡等提出了一種仿生性機械手的設計方法，其根據人體手指抓取的姿態，建立了機械手的指節模型，通過有限元軟件仿真對比，驗證了該機械手可以平穩實現30～80 mm多尺寸的自動落紗。

紡紗過程中，紗線張力控制也十分重要，張磊磊等曾對紗線張力傳感器的彈性體做過有限元建模分析，通過改變原彈性體結構的質量分布，提高了彈性體的固有頻率，增強了紗線張力傳感器的工作穩定性。也有學者對紗線張力傳感器的彈簧片進行過有限元模態分析，通過改變彈簧片的質量分布，使彈簧片的一階固有頻率從890 Hz提高到了1 345 Hz，避免了紗線張力傳感器和紗線產生共振，提高了紗線張力的穩定性。

2 有限元法在紡紗過程中的應用分析

2.1 流場分析

楊蕾通過運用Fluent軟件對梳棉機后上濾塵管道進行模擬，分析了流場內速度及壓力的分布特點，得出后上濾塵吸塑管道從入口到出口壓力負壓急劇下降，在濾塵吸塑管的拐角處負壓減小更嚴重，不能有效吸除纖維內的短絨，影響了生條質量。研究得出，結構設計角度應該避免濾塵吸管大幅度彎曲，從而保證管道氣流的均勻流暢；通過對不同負壓的模擬分析，得到了相關總風機的負壓的參考值，為濾塵管道在實際應用中恰當選擇風機類別提供了理論依據。

近幾十年來，利用氣流的作用產生一些新的紡紗方法，例如轉杯紡、噴氣紡、集聚紡等。氣流在紡織企業的輔助設備和紡織測試儀器中也有廣泛的應用，像織物透氣儀、空氣解捻器等，此外，在纖維的分離、輸送及紗線的接頭等方面也都離不開氣流的作用。CFD是ANSYS中針對流體分析的模塊之一，通過對流場幾何模型的建立及對流場模型進行網格劃分，進而對流場進行分析。邱玥利用ANSYS中的流體力學軟件對棉流通道進行了氣固兩相流體分析，得出了棉塊在棉流通道內隨氣流的運動情況及打手室內部的氣流變化情況，為清棉機氣流通道的改進提出了合理的建議。Kong等也研究了梳棉通道中棉塊的運動情況，得到了棉塊在流場中的影響因素。Kong等對轉杯紡中纖維輸送管道的氣流場進行了數值模擬，得出了轉杯紡內部氣流結構通道的任何變化都會對輸送管道氣流的流動性產生很大的影響。林惠婷通過對轉杯中氣流模擬發現，轉杯直徑增大時，轉杯內氣流漩渦減少，氣流速度隨著轉杯滑移角的減小而增大，研究得出采用長通道小角度的輸纖通道有利于纖維的轉移。關于轉杯復合紡紗氣流分析的研究可通過建立轉杯復合紡紗通道幾何模型，采用Fluent軟件對三維流場分析，探究轉杯直徑、凝聚槽型號及轉杯速度對氣流的影響。也可通過參數化建模、程序開發、優化設計及有限元仿真的方法，實現自排風式轉杯關鍵性能參數的動態優化，為轉杯紡轉杯的結構優化和減振降噪提供了技術思路。

曾泳春等以噴氣紡噴嘴為研究對象對噴嘴中的二維氣流場進行了數值計算，描述了噴嘴內氣流的流動特性，同時分析了各參數對其內部氣流流動特性與成紗性能的影響。劉曉艷針對集聚紡紗，采用有限元流場分析的方法，得出集聚區須條的左右邊界線氣流分布規律，為進一步提高紡紗質量提供了理論依據。錢成使用ANSYS對集聚紡系統和全聚紡系統的流場進行了數值計算，得出二者靜壓分布均呈“U”型分布。但二者氣流速度分布有很大差異，特別是纖維橫向聚集方向的氣流差異最大。在渦流紡方面，張超通過渦流場CFD軟件進行了氣流動態模擬，得到了進風口數和纖維環穩定的關系以及進風口長度和流量流速的關系。張勇對噴氣渦流紡內部流場進行了3種不同工況的模擬，得到了噴孔角度對徑向、切向及軸向速度的影響關系；還通過4種噴嘴對比實驗，得到了噴嘴單因子紡天絲紗的最優參數。有關噴氣渦流紡氣流與單紗強度之間的關系，有學者進行過研究，結果表明，噴氣渦流紡單紗斷裂強度和噴孔角度基本符合正弦函數關系，與錐面體錐角的正切值呈負線性關系。

絡筒工序是毛羽增加最嚴重的地方，郎軍等對其做過實驗分析，研究表明，紗線經過絡筒工序后，毛羽增加了50%～150%，甚至多達250%。適當的毛羽對織物的保暖有良好的作用，但如果毛羽過多，將不利于生產，且容易造成織物產生條影、云斑及緯檔等。有學者采用有限元分析技術對減少毛羽裝置進行了分析，針對絡筒機上的減羽噴嘴采用ANSYS中的FLOTARN CFD功能模擬了氣流運動狀態，結果表明氣流在減羽噴嘴內是以渦流狀運動，與高速攝像機捕捉到的結果是相符的。紗線經過渦流作用后，毛羽有了明顯的減小。

2.2 靜電場及磁場分析

利用有限元方法來進行靜電場的計算，很早就有記載。肖震東等用有限元法來求解靜電紡紗中的電場分布情況，但由于當時計算機條件所限且缺少功能強大的有限元分析軟件，使得計算繁瑣的同時精度也相對較差。曹繼鵬等通過在梳棉機罩板處加裝靜電型棉網清潔器，以提升梳理質量，并采用有限元分析法分析了錫林與靜電板之間的靜電場，得出了不同纖維介電常數、不同隔距和電壓下，纖維在靜電場中的受力情況，為合理選擇靜電型棉網清潔器的有關工藝參數提供了理論依據。

劉青松等利用ANSYS對磁力驅動錠子進行了仿真模擬，從磁場強度、轉數等參數方面對錠子的磁力驅動做了分析，提高了磁力分布計算的精度，為磁力驅動錠子的設計改進提供了優化理論依據。在轉杯紡驅動系統方面，溫曉陽設計了一款外轉子無齒槽高速永磁直流電動機，從電耗和溫升角度確定了電磁負荷的最佳值，通過Maxweell電磁場分析軟件仿真，驗證了電動機設計方案的可行性。

2.3 纖維與器材之間受力分析

由于纖維柔性體的特殊性，在紡紗過程中與器材之間的作用力情況對紗線質量有著重要的影響。He Shanshan等通過對刺輥針布針齒不同的傾斜角(0°、1°和2°)應用ANSYS軟件進行仿真分析得出，隨著刺輥針齒與纖維梳理方向傾斜角的增大，針齒對纖維之間的摩擦力和壓力都顯著增加，更易對纖維造成損傷。其根據仿真分析結果設計制造出一種新型無傾斜角刺輥針布，經過實驗比較發現，該新型針布使生條棉結量降低了24.41%，纖維產量提高了8.4%。劉娜等通過對環錠紡和賽絡紡的加捻三角區進行有限元分析得出，當環錠紡錠速及捻系數增加且紗支減小時，纖維張力變大，且纖維轉移量增大。對于賽絡紡而言，隨著捻系數增大，右側初步加捻三角區纖維張力變大；隨著錠速增加，左側初步加捻三角區纖維張力增大，且它們的成紗三角區纖維變形沿中心軸對稱分布。纖維變形與加捻三角區的形狀有密切關系，與環錠紡相比，賽絡紡加捻三角區內纖維變形明顯減小，且纖維變形一致性好，對紗線的毛羽和強力有著重要影響。

3 研究不足和展望

以往在紡紗領域，有限元分析大都應用在設備變形受力、機架材料及形狀優化、流場的模擬處理以及少量的電場磁場的耦合分析，或是探討分梳過程中纖維與器材之間的受力情況。在紡紗過程中纖維的分離、梳理及轉移等一些不可視化方面的應用分析還有待于深入研究，以便對梳理過程及有關針布器材的選用提供有效的指導建議。此外，由于在有限元分析過程中纖維運動劇烈，動網格劃分頻繁，計算耗時較長，使部分有限元分析結果與實踐應用還存在一定距離。因此，從紡紗系統的整體性考慮，還需要在有限元分析過程加載更多的因素。為使分析結果更加接近生產實際，以下4方面還有待于進一步探討和改進。

①纖維模型的科學建立。由于纖維材料的特殊性，針對纖維的建模還有待于深入研究，以使模型更加接近生產實際；大多數應用還沒有考慮紡紗原料的差異化問題，比如常見纖維的泊松比、彈性模量等能表征纖維特性的數據，對纖維模型的材料設置和真實纖維的性能還有較大差異，對工藝改進優化的指導還有一定的局限性。

②機械變形的有效驗證。通過有限元仿真分析，得出紡紗過程中機件的受力變形，缺少針對變形與紡紗質量關系的深入分析，以及加工制造優化后產品的具體應用和驗證方面的研究。

③氣流分析與實際的差異。對氣流分析時，由于紡紗過程中多數以氣流和纖維的混合體形式存在，氣流中運動的實際纖維束大小存在隨機分布的問題，通常軟件中的氣體是理想狀態下的，和真實氣流有一定的差異，分析結果對生產實踐指導尚需進行有效的修正與驗證。

④纖維集合體內部受力分析。纖維集合體在梳理過程中，與梳理和紡紗器材進行接觸，受到擠壓、梳理、牽伸和加捻等作用力，其內部纖維之間的相互作用力一直在變化，影響著纖維的分梳、轉移和運動，隨著有限元軟件的開發及相應功能的齊全，有望在此方面實現新的突破。

4 結束語

有限元分析在紡紗領域有著較為廣泛的應用，有限元分析技術可以使紡紗設備和機件的細微變形得以量化，紡紗過程中的氣流、靜電場及磁場以及纖維與器材之間的受力等不可視狀態得到可視化仿真分析，為進一步提高紡紗設備設計的合理性、更好地優化工藝設計等方面提供了理論依據，有利于提升紡紗設備效能和紡紗質量。此外，有限元分析在一些方面還存在不足和局限性，與生產實際尚存在一定的差距。隨著有限元分析技術的逐步完善，通過加載更多的影響因素，會使分析結果更具科學性，更接近真實性，以更好地指導紡紗生產實踐。