（机械设计及理论专业论文）基于实验模型的机械—织物系统若干性能研究.pdf

东华大学硕士学位论文 基于实验模型的机械一织物系统若千性能研究 摘要 随着现代纺织加工装备生产速度的不断提高，装备上的 被加工织物会由于机械的动力与运动的有限精度传递性能 影响而具有复杂的振动运动形态，如织物上下的振动、波浪 形的扭动等；同时，这种织物的振动反过来又对机械的振动 产生影响。这不仅对加工出来的织物的均匀性及织物品质产 生不利影响，而且还会影响机械的使用寿命与效率。因此， 研究机械和织物闻的这种耦合影响关系很有意义，其相应理 论和方法的提出，将对这类纺织机械的设计研发具有基础支 撑作用。本文就是在这样一种背景下进行研究的，也是本文 研究的主要目的。 织物，作为一种非常特殊的材料，它既有固体的一些性 质，又具有织物编织结构特有的性质。织物是柔性纤维形成 的庞大数量纤维的集合体，其结构力学研究的一种思路是假 设织物为连续介质体。本文运用有限元法在宏观上进行研 究，主要是用大型通用有限元软件a n s y s ，对机械一织物 系统进行若干性能分析。其中织物是本文研究的重点对象， 选用a n s y s 里的s h e l l 6 3 单元来模拟织物的各种特性。 本文主要基于机械一织物系统实验模型，运用大型通用 有限元分析软件a n s y s ，进行若干性能分析。首先对织物 进行动态静力分析，用a n s y s 对匀拉力织物的拉伸进行大 东华大学硕士学位论文摘要 变形几何非线性分析计算，得出织物的变形形态与实际情况 中的织物颈缩现象吻合。然后通过改变两端滚筒的外形，用 优化设计方法，使织物面内的应力尽可能均匀，结果效果明 显。随后，对系统中有一定预紧力的织物本身进行模态分析， 得出了其前几阶自振频率和振型，以及各重要参数变化与织 物一阶固有频率的关系曲线，进而得出提高系统刚度的几种 有效措施；同时，对系统中的滚筒本身也进行了模态分析， 得出了滚筒的前6 阶弯曲自振频率和振型图。最后对织物一 滚筒耦会系统进行模态分析，得到了织物一( 钢制) 滚筒系 统的前几阶固有频率主要由织物决定。所以，我们在进行纺 织机械设计研发中，不应像传统设计那样只考虑机械本身， 而应更重点考虑织物的动态特性对纺织机械的影响。此外， 运用a n s y s 分析研究发现：如果制造滚筒的材质为橡胶棒， 则织物一( 橡胶) 滚筒系统的耦合作用明显。 研究织物一滚筒系统的若干性能，对于研究机械一织物 系统的耦合动态性能具有很大的意义，由此进一步研究建立 相应动态设计理论和方法，可为该类纺织机械的设计研发提 供重要应用基础理论支持。 关键词：有限元法，织物一滚筒系统，拉伸，非线性变 形，预应力模态分析，a n s y s ，耦合 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nm a n yp r o p e r t i e so f m e c h a n 至c s f a b r 至c ss y s t e mb a s e do n e x p e r i m e n t a lm o d e l a b s t r a c t w i t ht h eh i g hs p e e do ft e x t i l em a c h i n ei nt h ep r e s e n t ，t h e f a b r i c g o i n g o nt h et e x t i l em a c h i n es h o w s c o m p l i c a t e d d y n a m i cm o d a l i t yb e c a u s et h ef i n i t ep r e c i s i o ng o e sb e t w e e n t h em o m e n t u ma n dm o v e m e n to fm a c h i n e s u c h a st h e f l u c t u a n tv i b r a t i o na n du n d e et w i s to ft h ef a b r i c m e a n w h i l e ， t h ev i b r a t i o no ff a b r i cw i l lw o r ko nt h ev i b r a t i o no fm a c h i n e a n dw eh o p et h i sm u t u a li n f l u e n c e sw o u l dn o th a p p e no r i g n o r e t h a t sb e c a u s et h ep h e n o m e n o nw i l lh a v ei m p a c to n t h eu n i f o r m i t yo ff a b r i ca n dt h ep r o d u c tq u a l i t y 。a tt h es a m e t i m e ，i tw i l lw e a k e nt h el i f eo ft h em a c h i n ea n dt h ee f f i c i e n c y o ft h et r a n s m i t t a l 。i ti ss i g n i f i c a t i v et os t u d yt h ec o u p l i n go f t h em e c h a n i ca n dt h ef a b r i c t h et h e o r i e sw h i c hw i l lb e e d u c e dw i l lh a v ea ni n s t r u c t i v ee f f e c to nt h et e x t i l em a c h i n e o ft h i sk i n d i nt h ec o n t e x t ，t h i si st h eo b je c t i v eo ft h es t u d y r e p o r t e di nt h i sp a p e r 。 f a b r i ci sak i n do fs p e c i a lm a t e r i a l ，w h i c hh a ss o m e | l l p r o p e r t yo fs o l i da sw e l la si t so w l ln a t u r eo fk n i t t e ds t r u c t u r e f a b r i ci sm a d eu po fm a n yf l e x i b l ef i b r e s ，aw a yt os t u d yo n t h es t r u c t u r em e c h a n i c so ff a b r i ci st h a tw es u p p o s ef a b r i ci sa tiumt h i n g t h ew o r kp r e s e n t e di nthiscontinuumm e d i u mt h m g 1 1 ew o r kp r e s e n t e ai nt n l sp a p e r c o n c e n t r a t e s p r i m a r i l y o nt h e s t u d yo fm a n ym e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ef a b r i c - r o l l e rs y s t e mb a s e do na n s y s ，w h i c h i saf e as o f t w a r eu s e dg e n e r a l l y t h ef a b r i ci ss i m u l a t e da s t h es h e l l 6 3e l e m e n ti na n s y s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nm a n yp r o p e r t i e so ft h e f a b r i c r o l l e rs y s t e mu s i n gt h ef e as o f t w a r ea n s y s 。f i r s t l y ， s t a t i co ff a b r i cw h i c hi sm o v i n ga n dt i g h t e n + u n i f o r m l yi s s t u d i e d t h en o n li n e a re x t e n s i o ni sa n a l y z e db yf e aa n dt h e l a r g ed e f o r m a t i o no f t h ef a b r i cw h i c hi sv e r ys i m i l a rw i t ht h e n e c k c o m p r e s sp h e n o m e n o ni nd a i l y1 i f e i si n c l u d e d t h e na w a yt oi m p r o v et h ep r e s s u r ee q u a l i t yo ft h e c l o t hc o v e ri s p r o p o s e db yt h eo p t i m u md e s i g nm e t h o d ，a n dt h ep r e s s u r e d i s t i n c t i o nf a l ld o w nc l e a r l yb yi m p r o v i n gt h es h a p e a n d d i m e n s i o no ft w or o l l e r s u s i n ga n s y s ，t h e n a t u r e f r e q u e n c i e s a n dt h e p r e s t r e s s e d m o d eo ft h ef a b r i ci n f a b r i c r o l l e rs y s t e ma r ec o m p u t e d t h er e l a t i o nc u r v e st h a tt h e f i r s tn a t u r a l f r e q u e n c y o ff a b r i c r e l a t e st h e s i g n i f i e d p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，s os e v e r a lm e a s u r e st oe n h a n c et h e s t i f f n e s so fs y s t e ma r ea v a i l a b l e a l s o ，t h ef r e q u e n c i e sa n d m o d eo ft h er o l l e ra n dt h ef a b r i c - r o l l e rc o u p l i n gs y s t e mi s o b t a i n e db ya n s y s t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ef r e q u e n c yo f t h ef a b r i c r o l l e rs y s t e md o e s n tr e l a t et h er o l l e rb u tt h ef a b r i c s o ，w h e nw ed e v e l o pa n dd e s i g nt e x t i l em a c h i n e s ，w es h o u l d t h i n km o r ea b o u tt h ed y n a m i ci m p a c to ff a b r i c o nt e x t i l e m a c h i n e s i ti sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d l v 东华大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h a te n g i n e e r st h o u g h tt h em e c h a n i s mi t s e l f iw ef i n dt h a ti fw e c h a n g et h em a t e r i a lo fr o l l e ra sas o f tr u b b e rr o l l e r ，i n s t e a do f s t e e l t h ec o u p l i n ge f f e c to nf a b r i c r o l l e rs y s t e mi sv e r yc l e a r t h es t u d yo nm a n yp r o p e r t i e so ff a b r i c r o l l e rc o u p l i n g s y s t e mh e l p su sal o tt or e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc o u p li n go f m e c h a n i c s f a b r i c a n dw ec a nb u i l dt h ed y n a m i cd e s i g n t h e o r i e sa n dm e t h o do ft h i sk i n d ，w h i c ho f f e r si m p o r t a n t t h e o r yf o u n d a t i o no nt h i sk i n do ft e x t i l em a c h i n e sd e s i g n x i o n gk a i c h u n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db yw a n gs h e n g z e k e yw o r d s ：f e a ，f a b r i c r o l l e rs y s t e m ，e x t e n s i o n ， n o n l i n e a rd e f o r m a t i o n ，p r e s t r e s s e dm o d ea n a l y s i s ，a n s y s ， c o u p l i n g v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密嘭 指导教师签名： 日期：o - ) 年6 盯日 穗， 一誓一 熟9 签 者 年 论 ： 东华大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早三百下匕 1 1 课题背景和研究意义 在纺织、印染和后整理机械中，图1 1 这种结构是很常见的【1 1 。 图1 1 织物一滚筒模型 实际上，随着现代纺织加工装备生产速度的不断提高，像图1 1 所示机械一织物系统相互动态耦合的影响越来越不容忽视。比 如，在纺织机械装备上被加工织物由于机械动力与运动的有限精度 传递性能影响而使得织物具有复杂的振动运动形态，如织物上下的 振动、波浪形的扭动等；同时，这种织物的振动反过来又对机械的 振动产生影响。其实我们并不希望这种交互影响现象发生，或者虽 有发生但影响可忽略不计。因为这对加工出来的织物的均匀性及织 物质量会产生不利的影响，同时还会影响机械的使用寿命与效率。 我们认为：研究机械和织物间的耦合关系是很有意义的，且相应理 论和方法的提出，将对该类纺织机械的设计研发具有指导作用。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题来源和研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目( 5 0 5 7 5 0 3 9 ) ：机械一纤 维、织物耦合系统若干动力学问题研究。 本文的研究内容是上述项目的最初部分，主要是采用大型通用 有限元软件a n s y s ，对典型机械一织物系统即滚筒一织物系统若干 性能进行分析，了解相关特性。首先对在匀拉力下的织物性能进行 分析，用a n s y s 对织物的拉伸进行大变形非线性研究。然后用优化 设计方法选择边界( 滚筒) 外形，使其面内的应力尽可能均匀。最 后在对系统中的滚筒和织物本身分别进行模态分析的基础上，对滚 筒一织物系统进行模态分析，并通过比较对分析结果做出合理的评 价，得出本文初步研究结果。 1 3 有限元及其在织物上的应用 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，缩写为f e m ) 是一种功能 强大、适用范围广泛的数值方法【2 】。有限元法是对本课题进行探讨 的主要方法，下面简要介绍有限元法。 有限元法是以电子计算机为手段的电算方法，它以大型问题为 对象，未知数的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提 供了一个有效的工具。有了这个工具，力学工作者就变得艺高人胆 大了，最优化设计方法的发展使结构设计从单纯的验算过程变成为 真正的设计过程。随着计算机的高速发展，其高速度和高精度恰好 为有限元法的广泛应用提供了很好的平台。 在纺织材料力学性能研究中首次详细阐述f e m 应用的是英国利 兹( u n i v e r s i t yo fl e e d s ) 的d w l l o y d 。自从他首次把有限元分析 方法用于纺织材料结构力学研究以来【3 1 ，至今2 0 多年里主要用有限 元法进行织物悬垂性变形分析【4 ，5 】。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 织物力学分析的方法综述 计算机图形学家和纺织学家分别从不同角度，采取了多种研究 方法进行研究，并取得了许多结果。从目前的研究结果来看，织物 仿真模型的建立方法大致有3 种：几何的、物理的和混合的【6 ，7 1 。 1 ) 基于几何的织物仿真模型的建立【8 ，9 】 纺织材料结构力学研究，从直接的来说，19 0 0 年就有p e i r c e 、 g e g a u f f e 等开始纱线等力学性能研究，一般认为织物几何及力学研 究开始于19 3 7 年f t p e i r e e 的“t h eg e o m e t r yo fc l o t hs t r u c t u r e 一文的发表【l 叭，并认为p e i r c e 是织物几何结构定量分析研究之父 l ，其实早在19 l2 年h a s s 就研究织物在双轴向应力下经，纬纱线 卷曲互交( c r i m pi n t e r c h a n g e ) ，并提出与p e i r c e 极为相似的织物基 本结构模型，比p e i r e e 更进一步的是h a s s 研究织物变形及首先就变 形机理，织物结构变形与气密性关系，研究结构以德文发表在航空 学文献上【l 引，而不为纺织领域工作者所知，直到文献被译成英文后 很久，才发现h a s s 研究织物结构及变形，可以说，h a s s 的比p i e r c e 早且比p i e r c e 深入i i 引，但p i e r c e 关于织物结构模型却被广泛应用。 用建立数学方程的方法研究织物几何结构最早期、最经典的论 说是p e i r c e 模型。它是在一定的假设条件下，从纯几何学的角度去 建立模型和解决问题的，虽然与织物中纱线的实际状态有一定的差 异，但对推动当时纺织科学的进步起了突破性作用，成为概算织物 结构参数的理论基础。 p e i r c e 模型( p e i r c e sm o d e l ) 可以用图1 2 进行解说。p e i r c e 假设 织物中的经、纬纱线图1 2 织物几何结构的p e i r c e 棋型是具有圆形 截面、既不可伸长又不可压缩、但可充分弯曲的物体。因此，在经、 纬纱线相互包覆屈曲之处，应具有圆弧形状，而其余部分为直线段。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 织物几何结构的p e i r c e 模型 图1 2 所不是平纹织物一个交叉单兀的经向剖面图。图中列出 1 1 个独立变量：屈曲波高、，几何密度岛、风，屈曲纱线的长度 l 、三w ，交织角( 屈曲纱线相对于织物中心平面的最大倾角) b 、见， 经、纬纱线缩率q 、c 。，以及经、纬纱线直径以与丸，之和d 。各 个变量之间按所假设的屈曲模型建立了下列7 个关系式： r c - ，= 三l 一1 ( 1 1 ) pw p w = 也一鹏) c o 昀+ 眈i 呜 ( 1 2 ) 吃= 也一鹎) c o 哆+ 印一c o 哆)( 1 3 ) d = 以+ = 以+ 丸 ( 1 4 ) r c 。= 兰生一1 ( 1 5 ) 。 pj 所= 瓯一d e 。) c o s e w + d s i n 见 ( 1 6 ) k = 位。一d e 。) c o s 0 + 鼬一c o s s w ) ( 1 7 ) 事实上织物很少符合p e i r c e 织物结构模型，因为从织物中纱线 截面可以看出纱线呈扁平形，与图中圆形纱线截面大不相同，k e m p 用椭圆形或跑道形表示模型中纱线截面【14 1 ，a b b o t t 等用双圆弧围成 东华大学硕士学位论文第一章绪论 的形状便是纱线截面【l5 1 ，o l o f s s o n 认为织物中纱线截面形状是由于 织物交织点处的纱线内力作用所至，截面就像充满液体的柔性软管 子交织后的管子截面形状，椭圆形或跑道形纱线截面是从描述织物 几何结构角度出发提出的，以前发展的针对p e i r c e 结构模型的图解 算法只需少许改动就可以运用到该种截面纱线表示的织物结构模型 中，这种对p i e r c e 模型的改进方法还可以扩展到具有不同经、纬纱 线长的非平纹类织物计算中，在描述织物几何结构方面较为方便【16 1 。 对p e i r c e 理论的修正主要表现在对纱线的截面形态和屈曲形态 的修正上。如图1 3 所示，织物中纱线的截面形态除了p e i r c e 假设 的圆形( a ) 外，还有椭圆形( b ) 、跑道形( c ) 、突透镜形( d ) 、矩形一圆弧 并联形( e ) 等假设【引。 oo 口 ( 囊)( b ) ( c ) oo ( d )( e ) 图l 一3 织物中纱线的截面形态 总之，p e i r c e 原始模型的建立对织物结构力学研究有开拓作用， 但它同时是一个静态模型，虽然部分解决了环境湿度对织物结构尺 寸变化之间的关系问题，但并不能很好地反映织物在后处理或穿用 过程中结构变化。后来从几何结构角度和力学分析角度分别对p e i r e e 模型改进。解决几何结构和力学方面问题，尤其是后者，得到了广 泛的发展【引。 2 ) 基于物理的织物仿真模型的建立【1 7 ，1 8 ，1 9 】 东华大学硕士学位论文第一章绪论 这种基于物理的模型主要分成两大类：离散质点和连续介质模 型，具体的分类见图1 4 。 匿1 4织物仿真模型的分类 这里主要介绍一下p r o v o t 提出的比较著名弹簧质点模型，p r o v o t 采用经典弹簧质点模型模拟约束下的柔性织物，织物被离教为四边 域网格，网格交点为质点，质点与质点之间以弹簧形式相连，如图l 一5 所示，弹簧分兔3 类：结构弹簧、弯曲弹簧、剪切弹簧，如图 l 一6 所示，用它们来模拟织物的机械属性。 在质点p 0 ，歹) 和p o + l ，j ) 、以及p ，歹) 和p ，歹+ 1 ) 闷酶弹簧 为结构弹簧，结构弹簧模拟织物拉伸时的受力；在质点pu ，j 夕和 夕0 + 2 ，歹) 、戮及尹0 ，歹) 和e ( i ，歹+ 2 ) 闻的弹簧为柔性弹簧，柔性弹簧 模拟织物弯曲受力；在质点pi c f ，) 和、以及p o + 1 ，) 和尸o ，+ 1 ) 间 的弹簧为莠切弹簧，剪切弹簧提供给织物一个剪切剐力，用以模拟 织物平面的平滑过渡。 奎生奎堂堡主堂垡笙壅箜二望l 兰坐垒一 图1 5弹簧质点模型 - 尸( l p 2 ) l l i 一i 脚，d 州，力 以j f i 歹+ i ) l i i l l i h l 力戌f + i ( a ) 柔性弹簧 ( b ) 结构弹簧 ( c ) 剪切弹簧 图1 6 3 种弹簧类型 在弹簧质点模型中，质点同时受到内力和外力的作用。 当发生 形变或运动时，织物模型上的质点因受力而产生位移。可用n e w t o n 定律建立质点的受力模型： + d 产 册 山 州 附 附 詹 ， - 、 、 ， t 、 d 哆 州 栅 j 涫 厶 雕 呐 h 东华大学硕士学位论文第一章绪论 e ，o ，) + 瓦o ，) = 朋o ，j ) a o ，j ) ( 1 8 ) 其中， ，如力质点尸o ，) 的质量； 口u ，力是该点加速度： t ，u ，歹) 是该点的外力，包括重力、风力、空气阻力、与外界物 体相碰撞时的阻碍力、外界物体的支撑力等； 瓦u ，j 是该点的内力，弹簧的弹性变形力，不同的弹性变形定 义了不同的内力，如拉力、剪切力和弯曲力。 用胡克定律统一计算各种弹簧的弹性变形力67 1 ，质点尸o ，) 所 受弹性变形力可表示为： 蹦吨咖一( 磊。砘彬 ，) 黜比划) “ ，( 1 - - 9 ) 兵甲， k 弹簧的弹性变形系数； r 尸o ，) 邻点的集合； l oo ，j ，k ，) 质点e ( i ，歹) 与质点e ( k ，1 ) 之间的原始距离； 三o ，j ，k ，) 质点尸o ，) 与质点尸 ，1 ) 之间运动时的距离； 三( f ，k ，z ) l q ，j ，后，) 质点的受力方向。 弹簧的弹性变形系数k 可以依据所选用织物的材料性能参数曲 线确定。 由于用线性的弹簧形变模型模拟非线性的织物受力形变，会出 现失真情况，p r o v o t 采用了基于反演动力学的直接修正法，解决了 这一问题 s l 。在求解运动方程时采用的是显式的欧拉方法。因此只 能选择小步长，但由于计算简单，所以计算效率高，速度快，几乎 达到实时效果。不足之处在于模型不够精确，无法真实表现织物的 物理属性。 3 ) 基于混合技术的织物仿真模型的建立方法 混合技术是指将几何和物理的技术结合起来的一种织物仿真模 拟技术。混合技术旨在分别吸取物理技术和几何技术的优点，它们 东华大学硕士学位论文第一章绪论 常常用几何方法来决定模拟织物的大概形状，以物理方法来定义更 精细的结构。但就目前所出现的混合技术来说，还仅仅是初级阶段， 它们无论是在织物模拟范围来说，还是在几何和物理技术结合的角 度来说，都远没有达到人们所预期的圈标。织物是一种非线性材料， 大多数基于物理的模型都是基子弹性理论。它们一般考虑的是织物 的宏观行为，而没有精确地描述织物行为，若要具体表示到每一条 线，则需要更精确的模型。模拟速度也会大大降低。近几年，一些 图形学家还提出了一些基于有限元方法的模型，从连续介质的本质 上计算织物的变形，而其它模型多是一种相类似的比拟。因丽用这 种模型进行模拟，效果更加真实，并且效率大大提高。虽然它目前 还存在着一些有待改善的阕题，僵随着有限死法的发展，最终很有 可能成为主流的织物仿真模型方法。 1 。3 2 有限元法在织物上的应用 有限元技术应用于纺织领域的研究主要是在2 0 世纪8 0 年代， 翠先研究比较多的是纺织机件的结构力学分析，后来逐步扩展到纤 维、纱线织物等柔性材料的分析24 1 。目前主要的应用如下： ( 1 ) 纺织机件的结构力学分析 这是有限元分析技术应用最多的一个领域，几乎可以对各类纺 织机件进行分析模拟，如梳棉机盖板的变形分析、片梭织机扭轴的 力学分析等等。有限元分析技术最早就是从结构化矩阵分析发展而 来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分移予，实践证明这 是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也以证明，只要用 予离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够遴近子精确值。 ( 2 ) 织物的结构力学分橱 织物的力学结构分析远要比纺织机件的结构力学分析复杂，因 为其结构的大位移、大应变属非线性问题；依靠线性理论求解误差 很大，只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的 数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧， 东华大学硕士学位论文第一章绪论 很难为一般工程技术人员所掌握。直到19 7 9 年，北大西洋公约组织 高级研究学会( n a t oa d v a n c e ds t u d yi n s t i t u t e ) 学术会议于当年8 月 19 日至9 月2 日在希腊k i l i n i 召开，会刊系列e ( “应用科学类 ) 第38 号是“柔性纤维集合体力学 论文集，发表d w l l o y d 的“t h e a n a l y s i so fc o m p l e xf a b r i cd e f o r m a t i o n 一文，提出用有限元方法 分析织物复杂变形，并认为“有限元方法具有同时处理不同种类非 线性问题的能力，可能在目前纺织材料力学研究中强有力并引起研 究者兴趣的工具 。d w l l o y d 首次将有限元分析技术应用千织物 的力学结构分析，我国学者对此也做了不懈努力。如提出了采用九 结点四边形等单元划分织物【22 1 ，对非织造布拉伸性能进行了有限元 模拟计算，为非线性有限元技术在纺织中的进一步深入提出了有益 的尝试。由于非织造布纤维之问是互相粘连的，纤维粘合剂的力学 性能都是非线性的。且非织造布的力学性能还受到不同加工工艺的 影响，应用有限元分析技术解决该问题还有许多有待研究的地方。 有限元法在织物研究中的应用，主要用来研究织物的悬垂性。 研究表明，织物因自重而悬垂时，发生了多种形式的力学变形，主 要有拉伸、弯曲及剪切变形，因而悬垂状态下织物的变形是一种复 合变形。这种变形在起始阶段由于摩擦阻力的作用应力应变呈非线 性，接着是线性度较好的区域。 有限元方法集力法和能量法优点，既能反映内部细节问题，如 以织物交织点为节点，则该节点力即可求出，又能从总体上反映力 应变问题全貌。在织物结构力学研究方面，有限元法基本上解决的 都是复杂变形和非线性问题。本文就是从宏观上运用有限元法对机 械一织物系统进行若干性能分析，所用到的工具就是a n s y s 软件。 1 4 有限元软件a n s y s 简介 本文主要运用大型通用有限元分析软件a n s y s 对织物做非线 性大变形分析，用a n s y s 自带的优化设计模块对滚筒外形进行优化 设计，然后用a n s y s 的模态分析模块对滚筒、织物、织物一滚筒系 东华大学硕士学位论文第一章绪论 统进行横态分析计算。可见，a n s y s 是本文的主要研究工具，下面 就简单介绍a n s y s 软件。 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁学、声场和耦合场分析 于一体的大型通用有限元分析软件。a n s y s 用户涵盖了机械、航空 航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、 教学科研等众多领域，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技 术交流的主要分析平台。自l9 7 0 年美国匹兹堡大学力学系教授 j o h ns w a n s o n 博士开发出a n s y s 以来，在3 0 多年的发展过程中， a n s y s 不断改进提高，功能不断增强，目前已发展到l1 o 版本。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计软 件，是美国机械王程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及遥 二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，第一个通过了 中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使 用。 1 4 1a n s y s 有限元分析软件的主要功能 a n s y s 程序中的结构静力分析，用来求解外部载荷引起的位移、 应力和力。静力分析适含于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构 响应的影响不显藩的问题。a n s y s 程序中静力分析同样能包括非线 性，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面等。a n s y s 结 构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。 a n s y s 程序可以求解模态分析、谱分析、瞬态动力、谐波响应及随 机振动的动力分析问题。模态分析用于计算结构的固有频率和模态； 谱分析是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或p s d 输入随 机振动) 引起的结构应力和应变；谐波分析用于确定结构在随时间正 弦变化的载荷作用下的响应；瞬态动力分析用于计算结构在随时闻 任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中 所有的非线性性质。a n s y s 曼武动力分析可以用于模拟非常大的变 形，并考虑所有的非线性行为，可用于计算高度非线性动力学和复 东华大学硕士学位论文第一章绪论 杂的接触闯题，如冲击、碰撞、快速成型等。如研究高速冲击穿过 程分析以及超高速磨削等问题就可用a n s y s 进行分析。 1 4 2a n s y s 软件的主要技术特点 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技 术特点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 数据统一。a n s y s 使用统一的数据库来存储数据及求解 结果，实现蘸后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力。a n s y s 具备三维建模能力，仅靠 a n s y s 的g u i ( 图形界瑟就可建立各种复杂的几何模型。 ( 3 ) 强大的求解功能。a n s y s 提供了数种求解器，用户可以 根据分析要求选择合适的求解器。 ( 4 ) 强大的非线性分析功能，a n s y s 具有强大的非线性分析 功能，可进行几何非线性、材料菲线性及状态霉# 线性分析。 ( 5 ) 网格划分。a n s y s 具有智能网格划分功能，根据模型的 特点自动生成有限元网格。 ( 6 ) 良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可 以确定最优设计。 ( 7 ) 可实现多场耦合功能。a n s y s 可以实现多物理场耦合分 析，研究各物理场闻的相互影响。 ( 8 ) 提供与其他程序接口。a n s y s 提供了与多数c a d 软件 及有限元分析软件的接日程序，可实现数据共享和交换，如 p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l g o r f e m 、i d e a s 、a u t o c a d 、 s o l i d w o r k s 、p a r a s o l i d 等。 ( 9 ) 良好的用户开发环境。a n s y s 开发式的结构使用可以利 用a p d l 、u i d l 帮u p f s 对其进行二次开发。 东华人学硕士学位论文第二章机械一纤维织物系统的实验模型 第二章机械一纤维织物系统的实验模型 21 工程中的机械一织物系统 在纺织、印染和后整理加工过程中可常见织物一滚筒运动系统 ( 见图21 、2 2 、2 3 ) 。随着现代纺织加工装备生产速度的不 断提高装备上的被加工织物会出现复杂的振动运动形态，如织物上 下的振动、波浪形的扭动等。织物的这种振动对其本身的加工质量 ( 如染色) 有很大的危害：此外，对整个机械装各系统也会产生较 大的影响因为织物的振动会对滚筒产生交变压力，该压力对滚筒 两端的轴承寿命会产生不利的影响。 附2 - - i 双环节能焙烘机 滚相 织物 滚伯 东华太学硕士学位论文 第一章机械 纤维织物系统的实验模型 r 二一 l 季i 翥j 歹 目：旷 圈22 自动圆筒缝合机 图2 3 蜡印生产成套设备 滚简 织物 缓筒 滚筒 织物 滚筒 由图2 1 、2 2 、2 3 中看出，织物一滚筒系统在纺织、印染 和后整理机械装置中是一常见的单元。国家自然科学基金项目就是 要对这样的机械一织物系统所存在的若干运动动卷耦合性能进行分 析研究。为突出问题奉质且适于实验研究，本课题将上述典型单元 模型化为一织物一滚筒系统模型实验台，并基于该实验台模型采用 东华大学硕士学位论文第二章机械一纤维织物系统的实验模型 有限元方法对织物一滚筒系统若于性能进行研究。 2 2 实验模型的要求 为研究问题突出，需对工程中典型的织物一滚篱系统进行模型 化设计；要便于研究范围可调，则又需所设计的模型化实验台对所 研究闫题具有定适应性。 模型化实验台设计的具体内容包括：实验台架、调速传动机构、 织物加压橇构、织物传动机构以及检测机构设计。实验台整体结构 为台式箱架形。 实验台架对稳定性要求高，其它机构都要装在该实验台架上。 调速传动机构由交流电机、调速装置、皮带和带轮等组成。 织物加压机构由一根压辊( 两端装有轴承) ，两个支座( 上端 有滑槽) ，弹簧加压机构等组成，该机构要求加压稳定可靠且压力 可调。 织物传动机构主要为辊与织物组成，要求有主动辊、被动辊、 运动协调控制辊，旦织物运动豹速度、张力及与辊豹包角要可调。 辊两端装有轴承，被动辊的位置在实验台架上可水平方向调节，以便 改变辊与辊之间的距离。主动辊壶调速传动机构驱动，运动协调控 制辊由伺服电机驱动；辊轴要保持平行，且回转灵活、稳定，上下 左右不能有窜动。 检测机构由位移传感器、位移传感器支架、变送器和电脑等组 成，要保证位移传感器能够垂直和水平两个方向任意调节，其中水 平方向可调节的距离要大于各辊间距离，垂直方向可调节的距离要 大予布谣高度，以保证可以方便测量织物在垂直和水平两个方向的 位移变化。 2 3 机械织物系统的实验模型描述 根据上述要求，课题组进行了具体设计，得到的模型实验台三 东华大学硕士学位论立第二章机械一纤维织物系统的实验模型 维装配图如图24 所示： 嚣布茬口 i 机构 悯m 距装置 空挂电机调建装置巷靠鞋置 图24 模型实验台装配幽 由模型实验台抽出的典型织物一滚筒系统模型如图2 5 。 图2 5 织物一滚筒模型 织物足本文的主要研究对象，奉文中的织物选用普通平纹类( 既 织物的经线、纬线为普通正交编织结构) 、轻薄型。织物宽度b 为 o9 m ，两滚筒间的距离a 为3 m ，织物在滚筒一定的匀拉力带动下随 滚筒匀速转动作匀速平动且速度可根据要求调节。在对织物进行分 析时，奉文仅考虑研究织物作匀低速平动情况，即沿运动方向两端 的拉力和阻力相等而给织物施加着一定张力，日织物运动振动过程 中各加速度町忽略不计，由此丁把织物看成处于“静态”柬研究。 同时，考虑到织物的相对变形一般较大，其非线性大变形问题不容 忽视。 褡攀雕 东华大学硕士学位论文第二章机械一纤维织物系统的实验模型 滚筒是本文要研究重要机械部件，在系统模型中作匀低速转动， 其几何形状简化为阶梯轴，中间较粗的部分轴向长度与织物宽度相 丽，即为0 9 m ，半径为2 5 m m ，两端各伸出轴向长度为2 0 m m ，半径 为lo m m 的两小段细圆柱体，分别用来装配轴承。 东华大学硕士学位论文第三章织物的动态静力分析 第三章织物的动态静力分析 织物是一种很复杂的材料，主要从微观结构和宏观上进行研究 和分析【23 1 。天津工业大学的张义同从微观的角度对织物进行了力学 分析，同时提出了织物的一种初始斜交异性大变形本构理论 2 4 , 2 5 , 2 6 1 。 东华大学的顾伯洪 3 9 1 对非织造布进行了非线性有限元分析，并用实 验证实了结果的正确性。本节选用s h e l l 6 3 单元，从宏观上对织物 进行动态静力分析。 3 1 单元的选择 8 , 2 7 , 2 8 1 在实际应用中一定面积大小的织物，将其作为一个结构，它是 由很多纱线组成，纱线又是由更多纤维加捻而成，同时又存在极大 数量的相互接触点，每个接触点存在一定数量的自由度，对这种由 很多纱线和更多纤维组成集合体的织物来讲，抽象出模型并加以描 绘，则所需方程的数目很大，即使对于最先进的计算工具，也是难 以胜任的，所以一般假设织物是二维连续介质薄层，而不考虑织物 微观组织结构。这样织物受力变形的结构力学问题就转化为二维织 物连续介质薄层在二维平面或三维空间中的变形问题，因为一般都 涉及大位移大应变问题，这种变形的分析无疑是很复杂的。和一般 连续介质材料相比，织物由于结构原因而使应用连续介质假设受到 一些限制，比如连续介质应变可以定义任意小的范围内，在此范围 内两点距离在变力前后的变化即可反映整个连续介质应变，对于织 物来讲这个范围就受到织物单元结构的尺寸限制，在该范围内的应 变并不能反映整个织物应变，如果要保持连续介质假设和应变经典 定义，那么织物结构力学考虑范围应比单元大。同样在有限元分析 东华大学硕士学位论文 第三章织物的动态静力分析 计算时，为达捌所需精度丽进行的单元划分尺寸应大于织物单元的 结构尺寸，如果单元划分的尺寸小于织物单元尺寸，那么就只能放 弃连续介质假说，并至少部分采用反映织物结构的真实结构模型。 织物是柔性纤维形成的庞大数量纤维的集合体，其结构力学研 究的一种思路是假设织物为连续介质体，在宏观上进行研究。 3 。