（机械制造及其自动化专业论文）针梳机关键部件的有限元分析.pdf

摘要 纺织工业是我国国民经济的支柱产业，建国以来经历了从无到有到具备一定 的规模，特别是改革开放以来以每年1 3 的速度高速增长。作为纺织工业的物 质基础和生产手段，纺织机械的水平直接影响纺织工业的发展。而我国一半左右 的纺织机械要靠进口，纺织机械水平不能满足纺织工业发展的需要。本文针对纺 纱设备中的针梳机展开研究，选择针梳机圈条器轴承结构进行强度分析，提出了 改进方案。 ， 本文针对圈条器结构复杂、零件较多的特点，首先对圈条器进行结构分析， 预估内部轴承结构的载荷情况，进而运用p r o e 软件对圈条器部分和整体在同一 坐标系下分别计算质量和质心坐标，确定轴承结构的载荷及来源。使用a n s y s 调用接触分析模块对不同工况下的轴承结构进行了强度分析，从结果中可以直接 观察到应力的分布情况及极值的大小。通过结果对比，分析载荷变化对应力的影 响。 针对强度分析中所发现的问题，在不更改圈条器主体部分的前提下，提出两 种改进方案：对钢丝材料进行重选择，通过提高材料的许用强度的方法使轴承结 构安全耐用；对配重块进行再设计，改变轴承结构的载荷以降低其最大应力，并 通过有限元的方法加以验证。 本文整个分析思路对研究复杂结构中的局部结构问题具有指导意义，所提出 的改进措施及方法对生产实践具有重要的指导作用。 关键词：针梳机圈条器有限元分析轴承结构接触 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fc h i n e s ee c o n o m y ；t e x t i l ei n d u s t r yh a sg o tag r e a t a d v a n c e m e n ts i n c e19 4 9 e s p e c i a l l yf r o mr e f o r ma n do p e n i n g - u p ，i ti n c r e a s e sa ta s p e e do f13 e a c hy e a r t e x t i l em a c h i n e r y , w h i c hs u p p l i e st o o l sf o rt e x t i l ei n d u s t r y , a f f e c t st h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r y b u tc h i n e s et e x t i l em a c h i n e r yc a nn o t m e e tt h ec h a l l e n g eo fn a t i v et e x t i l ei n d u s t r y t h i sp a p e ri sf o c u s e do nb e a r i n gi nc a nc o i l e ro fg i l l i n gm a c h i n e ，w h i c hi sas o r t o fs p i n n i n gm a c h i n e r y f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo fc a ne o i l e ri sa n a l y z e di no r d e rt oo b t a i nl o a dd i s t r i b u t i o n o f b e a r i n g ，w h i c hi sm a d eo ff o u rs t e e lw i r e sa n df i f t ys t e e lb a l l s s e c o n d l y , n l a s sa n d b a r y c e n t r eo fd i f f e r e n tc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e di nt h es a m ec o o r d i n a t es y s t e mb y p r o es o f t w a r e f i n a l l y , l o a d sa r ed e t e r m i n e d ，w i t hi tc o n t a c tm o d u l eo fa n s y si s c a l l e dt oa n a l y z et h eb e a t i n gs t r e n g t hu n d e rv a r i e do p e r m i n gs t a t e s f r o mt h er e s u l t s ， s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dp e a kl e v e la r eo b s e r v e da n dc o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ed i s c o v e r e dw e a k n e s s ，t w oi m p r o v e dm e t h o d sa r es u g g e s t e dt o m a k et h em a x i m u ms t r e s sf a rf r o mw o r k i n gs t r e n g t ho fs t e e lw i r e h i g h q u a l i t ys t e e l w i r e sa r es e l e c t e dt oi n c r e a s et h em a t e r i a lw o r k i n gs t r e s s c o u n t e r b a l a n c ei s r e d e s i g n e dt or e d u c et h em a x i m u m s t r e s s ： t h er e s u l t sg o ti nt h i sp a p e re n r i c ht h es t u d yi nt h ef i e l do fa n a l y z i n gp a r t so f c o m p l e xm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，i ti st ob ea ni m p o r t a n ts e n s eo fd i r e c t i o nt ot h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：g i l l i n gm a c h i n e ，c a nc o i l e r , f e a ，b e a t i n g ，c o n t a c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名油雨惫二字日期： 汐7 年汐月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定： 特授权鑫叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：凹目钫 签字日期： 0 7 年。易月f 7 曰 签字日期：年。易月f 1 7 曰 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 纺织行业是一个传统产业，产生初期生产水平一直停留在手工的阶段，生产 力水平低下。十八世纪的一系列重要发现发明，彻底改变了纺织行业的生产方式， 纺织工业也随之飞速发展。 纺织工业是我国经济的支柱产业，改革开放以来以每年1 3 的速度高速增 长，主要纺织产品产量和生产能力居世界首位。随着我国经济的持续发展和加入 w t o ，我国纺织行业迎来了更大的机遇和挑战，特别是2 0 0 5 年1 月1 日w t o 取消全球纺织品的配额，实现贸易自由化回归，国际竞争更加激烈【1 】【2 】。纺织机 械是纺织工业的生产手段和物质基础，其技术水平、质量和制造成本，直接关系 到纺织工业的发展。 一些纺织机械，往往按照经验设计或者是对国外产品进行简单的仿制，缺乏 理论分析计算。在实际的生产和使用过程中，常发现局部结构设计存在不合理， 出现受力不均、某些部件损耗过快等情况，直接影响机械使用寿命。将有限元这 种现代化的设计方法应用到纺织机械领域，具有重要的现实意义。本文运用大型 通用有限元软件a n s y s 对针梳机的关键部件进行计算，预测和分析结构不合理 所造成的问题，便于以后进行改进和完善，使其更好的应用于生产实践。 1 2 纺织机械的发展和现状 纺织机械是把天然纤维或化学纤维加工成为纺织品的机械设备。广义的纺织 机械还包括生产化学纤维的化工机械。 手动纺织机械的发明早于文字，中国在春秋战国时已经使用手摇纺车纺纱。 后来，又有以水力为动力的纺车出现，1 7 8 5 年，英国建成世界上第一个用蒸汽 机为动力的棉纺织厂，这是纺织工业由工场手工业向大工业生产过渡的一个转折 点。1 9 世纪末 - 2 0 世纪中期，人造纤维和合成纤维相继面世，从而拓宽了纺织 机械的领域，增添了化学纤维机械一个门类。为适应化学纤维加工的需要，对纺、 织、染、整设备作了改进。2 0 世纪5 0 年代以后，一些新的纺纱织布方法相继出 现，部分地取代了传统方法，以高得多的效率生产纺织物，如转杯纺纱、非织造 第一章绪论 布( 俗称无纺布) 等。新的工艺方法孕育着新的纺织设备，新的纺织设备成熟与 推广，又促使纺织工业进一步向前发展。 纺织机械按生产过程分为纺纱设备、织造设备、印染设备、整理设备，另外 还有化学纤维抽丝设备、缫丝设备和非织造布设备等。 我国现代纺织机械经历了半个多世纪的发展，从无到有到形成规模，现如今 已经具有一定的市场竞争力。上个世纪9 0 年代后期，纺织机械行业走入低谷， 有人说纺织行业是夕阳工业，但随着2 0 0 0 年纺织行业市场状况全面回升，尤其 是后来纺织品配额的取消，社会资本大量投入到纺织工业，使纺织机械行业进入 了一个快速增长期。然而，我国的纺织机械在国际市场上一直处于劣势地位，一 半左右的份额是靠进口，成为全球纺织机械的最大买家，虽然近几年来，呈现出 出口额增长的趋势，但是我国出口对象多数是发展中国家，而进口国多数是发达 的工业化国家，而同种产品进出口差价十倍左右【3 】。 我国纺织机械存在以下问题： 1 产品种类少，技术水平低。 我国纺织机械企业创新能力不足，主要技术依靠国外，产品更新周期长，不 能适应市场需求，远远跟不上我国纺织工业的发展形势，和国际先进水平还有很 大差距。 2 产品质量不稳定。 由于主要技术依靠国外，部分产品存在仿制的现象，只求做的像，不求做到 好，这也就造成产品的质量不稳定、可靠性低等问题。 产品技术含量低、产品档次低、精度水平不够，这些都与设计和制造水平低， 设计手段落后有很大关系【4 】。 1 3 针梳机的发展及现状 针梳机是一种依靠针排牵伸机构梳理、顺直纤维，并制成纤维条的纺纱机器。 针梳机的作用是改善纤维的松解平直状态和纤维条结构的均匀程度，包括条干均 匀、重量均匀和混和均匀等方面。针梳机适宜加工长纤维，广泛应用于精梳毛纺、 绢纺、麻纺和化学纤维纺纱的制条和前纺工艺过程。针梳机在麻纺中也称并条机， 在绢纺中称练条机【5 】。 1 9 世纪末开式针梳机出现，这种针梳机针排击落次数在每分钟1 0 0 次以内， 应用于毛、麻纺纱过程中。2 0 世纪初，交叉式针梳机出现，由于其分梳和控制 纤维条的性能优于开式针梳机而渐被广泛采用，机械速度也成倍提高。2 0 世纪 4 0 年代以后，针梳机发展很快，螺杆针梳机针排击落次数达到每分钟2 0 0 0 余次， 2 第一章绪论 前罗拉输出速度达到每分钟2 0 0 米以上，普橱采用了自动落球或自动换简、牵伸 自调匀整、喂入与输出断头自停、梳箱与罗拉自动清洁、吸尘和罗拉自动加压卸 压等装置提高了劳动生产率，改善了劳动条件。5 0 年代以后相继出现了由 链条带动针排的链式针梳机和由凸轮带动针排的回转头针梳机，大大提高了针排 运动速度和前罗拉速度，使产量提高、噪声降低、梳箱结构简化，适宜加工羊毛、 化纤、麻类中较长的纤维。 针梳机按照各部分功能划分主要包括喂入、牵伸和出条成形三大部分。喂入 部分根据喂入卷装形式的不同分为球状喂给和条筒喂给；牵伸部分根据梳箱结 构形式分单层工作针排和上下交叉工作针排两种，分别称为开式钎梳和交叉式针 梳：出条成形部分根据卷装成形有圈条式、成球式和翼锭卷绕式三种 6 1 。 1 4f 2 3 型针梳机的介绍 本课题主要是对天津宏大纺织机械厂生产的f a 2 3 型针梳机( 如图1 1 所示) 进行分析，下面将对这类针梳机的工作过程进行简要的说明。 首先是喂八机构将多根纤维条引出，送入牵伸机构，接着纤维条通过后罗拉 进入梳箱被梳箱上下两层针排交叉插入，随着针排的运行向前传送至前罗拉， 同时受到牵伸和分梳作用，晟后从前罗拉输出的纤维薄层，经集柬、导条、卷绕 成形等机构的作用，成为符合工艺要求的半制品。针梳机与梳理机、精梳机都对 纤维进行梳理，区别在于：梳理机以分梳纤维块、柬使之成为单纤维或工艺纤维 状态为主要目的；精梳机以梳除纤维条中不符合工艺要求的短纤维和杂草、疵点 为主要目的：而针梳机则以进一步改善纤维条中纤维的平行伸直和松解程度为主 要目的。 圈1 1f a 2 3 型针梳机 第一章绪论 下面简要介绍各部分的具体情况： 喂入部分 一般为平台式喂入架。纤维条白条筒引出，经过喂入导辊和导条杆后在平台 上平行排列送入后罗拉。球状喂入时，球卷被放在平台式喂入架下方的双层或单 层卧式退卷滚筒上，因与滚筒接触摩擦而退卷引出纤维条。 牵伸部分 由后罗拉、梳箱、前罗拉组成。梳箱是针梳机的主要部件。交叉式针梳机的 梳箱分为上、下梳箱两个部分，各包含工作螺杆、回程螺杆、导轨、以及前后挡 板等主要机件。 出条成形部分 把前罗拉输出的纤维薄层，经集束导条机构并合成条子，再圈放于条筒内， 以便运输和储存。圈条式成形机构是圈条器，由圈条盘、小压辊、条筒座盘等组 成。圈条式成形可以保持纤维条松散状态，卷绕张力较小。 1 5 本文研究内容 本文的主要研究对象是针梳机的圈条器，选用有限元分析的研究方法，具体 工作由以下几个部分组成： 1 在了解针梳机工作原理的基础上，对圈条器进行结构分析，根据结构分 析的结果，研究圈条器轴承结构的受载状况。 2 根据圈条器轴承结构的特点，提出有限元分析方案，运用大型通用有限 元软件a n s y s 完成不同种工况下的有限元分析，并对比结果。 3 针对现有工况下轴承结构存在的问题，提出改进措施。 4 第二章有限元法的概述 第二章有限元法的概述 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 就是关于连续体( 连续结构) 的一 种离散化的数值计算方法，它的基本思路是：假想把连续系统( 包括杆系、连续 体、连续介质) 分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点( 称为 节点) 处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进 等效载荷，代替实际作用于系统上的外载荷；对每个单元由分块近似的思想，按 一定的规则( 由力学关系或选择一个简单函数) 建立求解未知量与节点相互作用 之间的关系；把所有单元的这种特性关系按一定的条件集合起来，引入边界条件， 构成一组以节点变量为未知量的代数方程组，求解就得到有限个节点处的待求变 景【7 】【8 1 。 2 1 有限元的提出和发展 1 9 4 3 年c o u r a n t 在求解s t v n a n t 扭转问题时使用了“单元 这一概念，将杆的 横截面剖分为三角形“单元”，假设翘曲函数在三角形单元中呈线性分布。2 0 世 纪5 0 年代，有限元作为处理固体力学问题一种方法，被应用于连续体力学领域。 有限单元法这一名称i 主l c l o u g h 在1 9 6 0 年的一篇关于平面弹性问题的论文中提 出。1 9 6 3 年b e s s e l i n g 将有限元法和传统的里兹( r i t z ) 法比较后指出，有限单元 法是里兹法的另一种形式。2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机的飞速发展和广泛 应用，有限单元法也随之发展并在工程界广泛应用，成为杰出的工程分析工具 9 】【1 0 1 11 1 。 经过几十年的发展，有限单元法现已广泛应用于航空航天、船舶建造、核能 电站、地下建筑等结构工程，在潮汐运动、热传导、化学反应中物质的传递和扩 散以及流体和结构的相互作用等领域，也有广泛的研究和应用【1 2 1 。随之而来，有 限单元法的专用和通用软件也大量出现，比较著名的通用软件有a n s y s 、a s k a 、 n a s t r a n 、m a r c 、t i t u s 、a d i n a 等 1 3 】。 经过六十余年的发展，有限元法已经发展成为一门成熟的学科。有限元技术 的发展历程可分为数值计算、仿真模拟以及与虚拟现实( v r ) 技术相交汇的3 个层次。 1 最初级的有限元分析是数值分析，其目的是计算部件在外载作用下的应 第二章有限元法的概述 力变形，优化部件结构，对部件做出功能和安全的预测。分析过程中， 通常要对结构的材料、几何特性进行相当程度的简化，将周围环境的作 用简化到节点或相应的算式因子上。 2 当前有限元应用的主流是基于数学模型的仿真。区别于对零部件的数值 计算，仿真是针对产品的某项功能或生产的某一步骤来进行。依据功能， 仿真可以分为运动仿真、控制仿真、静动态结构仿真、装配仿真、工艺 仿真等。 3 虚拟现实是有限元技术未来的发展趋势，它代表c a d 与c a e 的全面融合， 是一种更高阶和全面的仿真。虚拟现实将结构仿真、控制仿真、加工仿 真及产品实际使用条件结合在一起，进行全生命周期跟踪仿真。虚拟现 实综合了各种物理如力、热、流体以及自动化技术，它的实现是各项仿 真技术共同提升的结果。基于计算机的完整虚拟对象，具有产品在生命 周期内所必需的全部功能，融入了产品规划、设计、加工、应用及再利 用方面的主客观要求【1 4 】。 在有限元技术发展的前期，有限元分析是替代产品实物试验的被动分析过 程。如同实际试制、试验和评价的步骤一样，使用计算机来进行分析和仿真，对 试制品的性能和功能做出检测，以减少试制品的制作次数为目的。 未来对由产品功能驱动几何外形的产品设计流程、所需的模拟远远超出今天 的范围。产品在制造运输运行报废的整个生命周期都需要通过应 用c a e 技术仿真分析，来有效降低研制成本、缩短开发周期、提高产品可靠性。 2 2 弹性问题基本方程 应用有限元法进行结构分析的基本思路是化整为零、积零为整，把复杂的结 构看成为一有限单元所组成的连续弹性体的过程，即先将所要分析的机构离散成 二维或三维单元，然后采用位移法，根据单元的材料性质、形状、尺寸i 节点数 目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，再应用弹性力学中 的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，导出单元刚度矩阵。接着将单 元刚度矩阵进行坐标变换，叠加组成整体刚度矩阵，利用结构力的平衡条件和边 界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。 工程界应用的大多数材料都是弹性体，换句话说，工程界所讨论的安全性、 舒适性、可靠性问题几乎都涉及弹性体，因此弹性力学是研究工程问题的基础。 有限元分析的本质就是根据工程界应用的结构件形状，给出一定的假设条件，使 其计算模型简化，把一般数学、弹性力学问题转化为应用弹性力学问题。 6 第二章有限元法的概述 下面章节将简要介绍应用弹性力学中的基本方程和公式，它们同时也是有限 元法的核心理论基础。 2 2 1 微分方程 i f l 弹性体v 在表面力仞 = 风，p y ，夕：) t 和体积力 g ) ； q x ，g y ，g z t 作用下，任 意一点产生位移为协= ，v ，w ) t 。其中，p 。，p y ，p ：，g x ，g y ，g ：和“，v ，w 分 别为表面力、体积力和位移沿直角坐标轴方向的三个分量。体内的应力状态由六 个应力分量口。， 盯y ， z ， r x y ，r y z ， r z x 来表示，其中口x ， 口y ， 口：为正应 力，f x y ，r y z ，r 弘为剪应力。应力分量的矩阵形式称为应力列阵或应力向量【1 5 】： 口 2 口x 口y 口zr x y r y z2 z x t ( 2 。1 ) 弹性体任意一点的应变可以由六个应变分量fx ，y ，：，y 碍，r y z ，y 犯 表示，其中f x ，p y ，：为正应变，r 硝，y y z ，r 勉为剪应变。应变的矩阵形式 为： p ) = 占工f ) ，占zy 矽y 声 y 格】t ( 2 - 2 ) 称为应变列阵或应变向量。三维问题的应力分量如图2 一l 所示。 1 ) 平衡方程 图2 1 三维问题的应力分量 第二章有限元法的概述 对于一般三维问题，弹性力学基本方程如下： 矩阵形式为：陋 t 口】+ g = 0 ) 其中陋 为微分算子矩阵 l = a 一u 叙 。旦 砂 0o 2 ) 几何变形方程 几何方程的矩阵形式为： a u 一 勿 。旦 舐 旦o a z 占 = l 厂 n a u 一 瑟 旦o d z aa 砂缸 ( 2 3 ) ( 2 4 ) a u o g w 知2 _ + i (250)zdx 、一7 ( 2 6 ) 3 ) 物理方程 物理方程是表示应力与应变之间的关系，对于各向同性线弹性材料，其矩阵 表达式为： 其中 盯) = 【d 占) ( 2 7 ) o 0 o = - l = 吼 以 吼 + 十 + 蔓瑟笠瑟堡瑟 眈一砂q可笠砂 堡缸笠缸堡缸 挑一& w 一害a 业砂 ， = 堡砂 = 枣y ， 加一如 彻一敏锄一砂 q 第二章有限元法的概述 。 = 万e 丽( z - 丽v ) ， 1 ， 1 。- 。一 1 一v l 1 l v j l 0 1 1 ， l 0 1 一v o 0 j lj l 100 1 1 ，1 一y ooo 旦o 2 ( 1 一v ) 00oo 旦 2 ( 1 一v ) 0o000 ( 2 8 ) 4 ) 边界条件 弹性体v 的全部边界为s ，一部分作用着表面力伽 = p x ，p y ，p ： t 的边界称 为给定力的边界，记为s 。；在另一部分边界上弹性体的位移云，i ，历已知，这 部分边界称为给定位移的边界，记为，这两部分边界构成弹性体的全部边界， 即： s = s 。七s 。 弹性体力的边界条件为： ( 2 。9 ) p x = 口x z + r y x 埘+ r 。川 p y = r x y ，+ 口妒+ ry 】【刀 ( 在s 。上)( 2 1 0 ) 亿2f 船h f y z 聊+ a z r t 其中，m ，以为弹性体边界外法线与三个坐标轴夹角的方向余弦。 弹性体位移边界条件： z ，= 7 , ，v = 1 ，w = w， ( 在上)( 2 1 1 ) 2 2 2 虚位移原理与最小势能原理 1 ) 虚位移原理 虚位移原理又称可能位移原理，它表达了弹性体平衡的普遍规律。利用虚位 移原理可以推导出位移模式的有限元公式。所谓弹性体虚位移是指满足变形协调 9 l d o o o o o 持 第二章有限元法的概述 条件和边界约束条件的任意的无限小位移，可以用6 u ，8 v ，艿w 来表示。虚 位移原理表述为一个弹性体在外力作用下处于平衡状态，则对于任何约束允许的 虚位移来说，外力所做的虚功等于内力的虚功( 虚功是指真实的力在虚位移上所 作的功) 1 6 1 。其表达式为： 6 u = 6 w 其中艿u 为内力的虚功，万w 为外力的虚功。 ( 2 1 2 ) 硼= l l 。x + ay y + 。z & z + f 叮研叮+ t 踞研踞+ r = s y 。) d r 二缸一 q - 1 3 硎= 蜘x 6 u + qy 6 v + qz 删积+ 心p 。6 u + p y p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g c r e a t e c o n t a c tp a i r 通过设置实常数和关键字选项可以控制接触单元的接触行为。表3 1 列出了 面一面接触中用到的有关实常数及其所定义的内容。 表3 - 1 面一面接触的实常数 实常数定义的内容 r 1 ，r 2 目标面的几何形状 f k n 法向接触刚度因子 f t o l n、最大渗透范围 i c o n t初始靠近因子 p i n b“p i n b a l l ”区域 p m i n ，p n 【a x 初始渗透的容许范围 t a u m a r最大的接触摩擦 需要说明的是：实常数f k n 、f t o l n 、i c o n t 、p i n b 、p m a x 和p m i n 可 第三章针梳机圈条器结构分析及有限元高级模块的简介 以为正值也可以为负值。取正时为比例因子，真实值为实常数乘以下面覆盖的原 单元的厚度，而取负时则为真实值。例如i c o n 取o 1 ，表明初始间隙因子是0 1 乘以下面覆盖层单元的厚度，i c o n 取一0 1 ，表明真实缝隙是0 1 。 对于大多数接触问题，关键字可默认为缺省值，而在某些情况下，可能需要 改变缺省值来有效的控制接触行为。表3 2 列出了面一面接触的常用关键字。 表3 2 面一面接触的关键字 关键字定义的内容 k e y o p t ( 2 ) 接触算法 k e y o p t ( 3 ) 出现超单元时的应力状态 k e y o p t ( 4 ) 接触方位点的位置 k e y o p t ( 6 ) 刚度矩阵的选择 k e y o p t ( 7 ) 时间步长控制 k e y o p t ( 9 ) 初始渗透影响 k e y o p t ( 1 2 ) 接触表面情况 下面对几个重要实常数和关键字进行说明： 一选择接触算法 对于面一面接触单元，接触算法为扩张的拉格朗日算法或罚函数法。扩张的 拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代， 与罚函数的方法相比，拉格朗日方法不易引起病态条件，对接触刚度的灵敏度较 小，然而，在有些分析中，扩张的拉格朗日方法可能需要更多的迭代。此外，使 用拉格朗日算法的同时应使用实常数f t o l n 。f t o l n 为拉格朗日算法指定容许 的最大渗透，如果程序发现渗透大于此值时，即使不平衡力和位移增量已经满足 了收敛准则，总的求解仍被当作不收敛处理，f t l o n 的缺省值为0 1 ，可以改变 这个值，但要注意如果此值太小可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。 一决定接触刚度 所有的接触问题都需要定义接触刚度，接触刚度过大可能会引起总刚矩阵的 病态，而造成收敛困难。一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透 小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以防止引起总刚矩阵的病态问题 从而保证收敛性。通过定义实常数f k n 来为接触刚度指定一个比例因子或一个 真正的值，比例因子一般在o 0 1 和1 0 之间。为了取得一个较好的接触刚度值， 可以按下面的步骤进行。 第三章针梳机圈条器结构分析及有限元高级模块的简介 ( 1 ) 先取一个较低的值，低估要比高估好，因为由一个较低的接触刚度导 致的渗透问题要比过高的接触刚度导致的收敛性困难，要容易解决。 ( 2 ) 对前几个子步进行计算。 ( 3 ) 检查渗透量和每一子步中的平衡迭代次数，如果总体收敛困难是由过 大的渗透引起的( 而不是由不平衡力和位移增量引起的) ，那么可能 低估了f k n 的值或者是将f t o l n 的值取得太小，如果总体的收敛困 难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数，而不 是由于过大的渗透量，那么f k n 的值可能被高估。 ( 4 ) 通过分析重新设定f k n 或f t o l n 的值，重复2 、3 步直至得到满意 的结果。 一选择摩擦类型 在基本的库仑摩擦模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界面 上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态叫做粘合状态。一旦剪应力超过此 值后，两个表面之间将开始相互滑动，这种状态叫做滑动状态。粘合滑动计算决 定什么时候一个点从粘合状态变到滑动状态或从滑动状态变到粘合状态，摩擦系 数可以是任一非负值。a n s y s 缺省值为表面之间无摩擦。 可以人为指定最大等效剪应力的选项，如果等效剪应力达到此值时，滑动发 生。为了指定接触界面上最大许可剪应力，设置常数t a i m a x ( 缺省为1 0 e 2 0 ) ， 这种限制剪应力的情况一般用于接触压力非常大的时候，以至于用库仑理论计算 出的界面剪应力超过了材料的屈服极限。 _ 调整初始接触条件 接触设置是在划分网格之后，所以即使实体模型在初始状态下是接触的，也 可能出现两个面的单元网格之间有很小的缝隙的情况，这是网格划分后的舍入误 差造成的。使用实常数i c o n t 来指定一个好的初始接触环，或者使用实常数 p m i n 和p m a n 来指定初始容许的渗透范围，达到调整初始接触条件的目的。 3 ) 给定必要的边界条件 按需要加载边界条件，具体操作与其它分析类型相同。 4 ) 定义求解和载荷步选项 接触问题的收敛性随具体情况不同而不同。下面列出在大多数面一面的接触 分析中推荐使用的选项。通过以下g u i 命令进行求解和载荷步设置。 使用g u i ：m a i nm e ：n u s o l u t i o n s o l nc o n t r o l s 进入设置界面。 打开自动时间步长选项，可以得到精确的时间步长。 g u i - m a i nm e n u s o l u t i o n s o l nc o n t r o l s - - b a s i c a u t o m a t i ct i m es t e p p i n g 使用修改的刚度阵，将牛顿一拉普森选项设置成f u l l ，避免收敛太慢。 第三章针梳机圈条器结构分析及有限元高级模块的简介 关掉自适应因子，因为对面一面的问题，自适应下降因子通常不会提供 任何帮助。 设置合理的平衡迭代次数，通常在2 5 和5 0 之间。 g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n s o l nc o n t r o l s n o n l i n e a ro p t i o n s e q u i l i b r i u m i t e r a t i o n s 使用线性搜索选项来使计算稳定化。 。 g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n s o l nc o n t r o l s - - n o n l i n e a ro p t i o n s l i n es e a r c h 除非在大转动和动态分析中，打开时间步长预测器选项。 g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n s o l nc o n t r o l s - - n o n l i n e a ro p t i o n s d o fs o l u t i o n p r e d i c t o r 5 ) 求解 求解过程与一般的非线性问题求解过程相同。 g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n s o l v e c u r r e n tl s 6 ) 显示结果 通过一般后处理器( p o s t l ) 或时间历程后处理器( p o s t 2 6 ) 查看结果。 g u i ：m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c或 g u i - m a i nm e n u t i m e h i s tp o s t p r o 3 4 本章小结 本章分析圈条器的结构进而深入地了解圈条器的工作原理，引出要分析的结 构，确定了分析中要使用的a n s y s 高级分析模块接触模块，并介绍了接触 模块使用方面的知识，为下一步的有限元分析做准备。 第四章圈条器轴承结构有限元分析 第四章圈条器轴承结构有限元分析 4 1 圈条器功能模块划分及质心位置计算 在上一章中己选定轴承结构为研究对象，为了分析的方便，现对四条钢丝进 行编号，钢丝的具体编号参照图4 1 。 静；。蕊滋渤盔馐歹翟r 戈矿飞百 蕊鬣矿 函罐r 蕊毫矿1 嚣1 四1 熹。2 一_ 二7 一3 图4 - 1 钢丝编号图 圈条盘和下盖给钢丝l 、4 力的作用，底环给钢丝2 、3 施加约束，轴承结构 所受载荷与圈条器质量和质心位置有很大关系。 4 1 1 质点系的质心 圈条器装配体可以看作是由有限个质点组成的系统，每个零件可以被认为是 系统中的质点。根据3 1 节圈条器结构分析我们发现，除底环外，圈条器的其它 零件都直接或者间接相连，圈条器工作时这些零件的空间相对位置不变，在分析 轴承结构的载荷情况时，没有必要详细找出每个质点的运动规律，可以针对整个 系统求解描述系统整体运动的物理参量，质点系的质心是描述力学系统的重要参 量之一，设由1 1 个质点组成的系统，其质量分别为m 1 、m 2 、m i 、，对应的 位置矢量分别为r 1 、r 2 、r i 、，定义系统的质心位置矢量为 聊，巧 t ：旦型兰生生盟：兰二 ( 4 1 ) 。 镌+ 朋24 - 4 - 聊 式中聊= m 称为系统的总质量，上式在直角坐标系下的分量式为 f 第四章圈条器轴承结构有限元分析 ：圭m 2 一乙m f ，打 儿：圭乃 y c 2 一z m i y i ，竹 z 。：圭m i z i z f2 一乙 聊 4 1 2 统一坐标系的建立 ( 4 2 ) 坐标系是可以增加到零件和组件中的参照特征，在计算质量属性时可以用作 其它特征的参照。在质心计算之前，先在p r o e 中建立中心旋转坐标系a ，其空 间位置为：x 轴为圈条器的旋转轴，y o z 坐标平面为钢珠圆心所在平面。以下 盖的坐标系为原始坐标系，创建偏距坐标系，建立过程如下： 选择【插入】一【模型基准】一【坐标系】命令，系统弹出【坐标系】 对话框。 激活【参照】框，通过选择名称选择坐标系。 在【偏移类型】中选择笛卡儿坐标系。 输入偏移值：x = 4 3 5 ，y = 0 ，z - - o 。 单击【确定】完成创建。 4 1 3 质心参数的确定 在计算质量之前，需要首先在p r o e 中为零件设定密度和材料，具体数据由 厂家提供，具体计算结果如表4 - 1 所示。 表4 1 整体质量及质心坐标 质量m ( k g ) 6 3 8 4 质心坐标 x 4 5 3 5 ( m m ) y 1 4 9 z4 0 1 偏心距r = 小芦万( m m ) 4 2 7 由表4 1 的数据可知，圈条器的质心没有落在工件的旋转轴上，在这种情况 下，工件旋转时将产生惯性力，造成轴承结构载荷复杂，为弄清偏心产生的原因， 第四章圈条器轴承结构有限元分析 有必要对圈条器各部分的质量和质心的位置作进一步的计算。按在整体中的功能 不同将圈条器分为实现圈条成形功能的主体部分和平衡配重功能的附件部分，具 体划分如图4 2 所示，图中箭头表示直接相连。 图4 2 功能模块的划分 在坐标系a 下，计算各功能模块的质量和质心坐标，数值如下表4 2 所示。 表禾2 各功能模块的质量及质心坐标 附件 主体 质量m ( k g ) 2 0 06 1 8 4 质心坐标( m m ) x4 4 2 87 8 2 6 y 1 4 69 2 7 2 z 9 3 4 1 6 0 5 8 偏心距r = 山芦万( m m ) 1 8 5 4 29 4 6 分析表4 1 ，4 2 的数据可以发现，圈条器的主体相对于旋转轴存在偏心， 安装配重块后，偏心状况得以改善，但并没有消除。为了解配重块的安装对轴承 结构应力状态的影响，将在下文进行有无配重块两种情况轴承结构的有限元分 析。 第四章圈条器轴承结构有限元分析 由于偏心的存在，圈条器运转时将产生惯性力，轴承结构载荷较为复杂，所 以在分析之前有必要对轴承结构的载荷进行简化。 4 2 圈条器轴承结构载荷的简化 载荷的简化是结构有限元分析的重要环节，它直接关系到计算结果的正确 性。合理的计算和简化载荷，将计算所得载荷结果加载到计算模型上，可以实现 对圈条器轴承结构强度的评估。圈条器在运转过程中，轴承结构承受重力和惯性 力的作用，作用点不在轴承结构的旋转面上，需要进行力的平移，便于加载到计 算模型上。 4 2 1 力平移的基本知识 力系中最简单、最基本的除了单个力外还有力偶。力偶由大小相等、方向相 反、但不作用在同一直线上的两个力组成( 如图4 3 a ) 。力偶不可能与一个力等 效，因此力偶无合力，也不能被一个力平衡。力偶是最基本的力系，它对物体的 作用效果是使物体转动。现在计算力偶中两个力对某点o 的力矩的矢量和，即 力偶对点o 的力矩( f ，f ) ( 如图4 - 3 b ) 屹( ，f ) = r a 木f + 珞木f = 木e r n 孝f = ( r a r n ) 母f = r a n 奉f ( 4 3 ) 公式( 4 3 ) 表明，力偶对任一点的力矩均为常矢量，而与矩心的选取无关， 称这个矢量为力偶的力偶矩。力偶矩矢量的大小等于力偶的力与力偶臂的乘积， 其方向垂直于力偶的作用平面，指向则由右手定则确定。 o ( a )( b ) 图禾3 力偶及力偶矩 ? 力偶有下面三个重要性质，即力偶三特性。 1 力偶可在自己的作用平面内任意移动，对刚体的作用效果不变。 3 0 第四章圈条器轴承结构有限元分析 2 力偶可以改变力及力偶臂的大小，只要其乘积不变，对刚体的作用效果 就不变。 3 力偶可以从一个平面移至另一个平行平面，只要力偶矩不变，对刚体的 作用效果就不变。 在刚体上a 点作用一力l ( 如图“a ) ，如果在另一点b 加上一对平衡力 ( b ，e ) ，且有b = 只，一一e ( 如图4 舶) ，则力系( e ，砭) 形成 一力偶；亦即原力c 与力兄及一力偶( 冗，) 等效( 如图4 - 4 c ) 。由此得结 论：作用在刚体上点a 的力，。可以向点b 平移而不改变对刚体的作用，但必须 附加一力偶，其力偶距m 等于只对平移点b 的力矩。 m = m 置( 只) = 只a b 这就是力向一点的平移定理 2 9 】【3 0 1 。 ( a ) ( 4 4 ) c o )( c ) 图4 4 力向一点的平移 4 2 2 各物理量的单位统一 为了后期有限元计算中载荷加载的方便性和正确性，在载荷计算和简化之 前，先进行各物理量单位的统一。 大多数有限元计算程序都不规定所使用的物理量的单位，a n s y s 就是这样。 不同问题可以使用不同的单位，只要在一个问题中各物理量的单位统一就可以。 但是，由于在实际工程问题中可能用到多种不同单位的物理量，如果只按照习惯 采用常用的单位，表面上看单位是统一的，实际上单位却不统一，从而导致错误 的计算结果【3 2 1 。 比如，在结构分析中分别用如下单位：长度一m ；时间一s ；质量- - k g ：力 一n ；压力、应力、弹性模量等- - p a ，此时单位是统一的。但是如果将压力单位 改为m p a ，保持其余单位不变，单位就是不统一的；或者同时将长度单位改为 第四章圈条器轴承结构有限元分析 衄，压力单位改为m p a ，保持其余单位不变，单位也是不统一的。由此可见， 对于实际工程问题，我们不能按照手工计算时的习惯来选择各物理量的单位，而 是必须遵循一定的原则。 物理量的单位与所采用的单位制有关。所有物理量可分为基本物理量和导出 物理量，在结构和热计算中的基本物理量有：质量、长度、时间和温度。导出物 理量的种类很多，如面积、体积、速度、加速度、弹性模量、压力、应力、导热 率、比热、热交换系数、能量、热量、功等等，都与基本物理量之间有确定的关 系。基本物理量的单位确定了所用的单位制，然后可根据相应的公式得到各导出 物理量的单位。具体做法是：首先确定各物理量的量纲，再根据基本物理量单位 制的不同得到各物理量的具体单位，以下只列举结构计算中常用物理量。 基本物理量及其量纲： 质量r n ： 长度l ； 时间t 。 导出物理量及其量纲： 速度：v = l i t ； 加速度：a = l t 2 ； 面积：a = p ； 体积：矿= r ； 密度：p = 聊r ； 力：厂= 聊口= m l t 2 ； 力矩、能量、热量、焓等：e = 厂l = 聊r t 2 ； 压力、应力、弹性模量等：p = f l a = m ( t 2 l ) 。 圈条器的模型是在p r o e 中建立的，所使用的物理量的单位如下。 基本物理量的单位： 质量一堍； 长度一m m ； 一 时间一s 。 导出物理量的单位以及k g m s 单位制的关系： 一速度：v - 邗1 1 1 t i s 密度：p - - k g m m 3 - - 1 0 q k g m 3 ； - 力：产k g m m s 2 = 1 0 k g m s 2 ( 毫牛) _ 压力、应力、弹性模量等：p = k g ( s 2 m m