（车辆工程专业论文）胶印机结构动力学建模与优化.pdf

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谫 的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 翅金翻 e l 期：乏! 鱼：兰：， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：茎噬：丞导师签名： e l 期2 0 i o 三厂 飞 摘壁 胶印机结构动力学建模与优化 研究生：胡念武，导师：陈南教授 东南大学机械工程学院 摘要 为减小胶印机高速工况下的振动情况，在江苏省科技成果转化项目的支持下，本文 以某胶印机为研究对象，系统的研究了胶印机振动测试、胶印机单元有限元模型建立、 胶印机有限元模型的静动态分析、胶印机单元模型的拓扑优化等关键内容。本文的主要 内容和创新点如下： 1 对胶印机进行振动测试，寻找胶印机振动的特性和可能的薄弱环节。 2 建立了胶印机单元的有限元分析模型，研究在建立有限元模型时如何既能够准确模拟 胶印机结构静、动力学性能，又能使模型计算规模控制较小。 3 通过对胶印机模型的静动态分析，准确识别及分析其动态特性，联合振动测试的结果 确定胶印机振动的薄弱环节。为定义下一步的结构优化设计目标提供依据。 4 基于拓扑优化理论的基本理论，在动态分析的基础上，以单元固有频率最大化作为优 化的目标函数，进行拓扑优化。通过拓扑优化，帮助寻找结构优化方案。仿真结果表明 优化后单元第l 阶固有频率提高2 0 9 。研制的新整机实际运行表明，新胶印机的动态 性能有所提高，高速工况下印刷质量改善。 论文的研究工作为胶印机结构设计、分析方面积累一定 期，增强国产胶印机竞争力提供了一定参考。 关键词：胶印机，拓扑优化，振动测试，有限元。 a b s t t a c t a b s t r a c t t or e d u c et h ev i b r a t i o no fo f f s e tp r i n t i n gp r e s sw h e ni ti sw o r k i n ga th i g hs p e e d ， s u p p o r t e db yt h ej i a n g s ut r a n s f o r m a t i o no f s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t s p r o j e c ta n df o c u s e d o no n ek i n do fo f f s e tp r i n t i n gp r e s s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dt h ev i b r a t i o nt e s t ，k e yc a et e c h n i q u e si n c l u d i n gt h em o d e l i n gm e t h o d ，s t a t i c a n dm o d ea n a l y s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo f t h ep r i n t i n gp r e s s t h ec o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 v i b r a t i o nt e s ti sd o n et or e c o g n i z ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt of i n dt h ep o s s i b l e w e a kl i n ko ft h es t r u c t u r e 2 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fo f f s e tp r i n t i n gp r e s sw a sb u i l t t h em o d e lc o u l dr e f l e c tt h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s sa c c u r a t e l ya n dt h es c a l eo ft h ef em o d e l w a sc o n t r o l l e d 3 t h ev i b r a t i o nm o d ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r er e c o g n i z e da n da n a l y z e d a c c u r a t e l yb ym e a n so ft h ec o m b i n a t i o no fv i b r a t i o nt e s t o nw h o l em a c h i n ea n d s i m u l a t i o n ，a n dt h a ta l s oo f f e r si d e af o ro p t i m i z a t i o nn e x ts t e p 4 a c c o r d i n gt ot h et h e o r i e so ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，b a s e do nt h ed y n a m i c a la n a l y s i so f t h es t r u c t u r e ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni sd o n et og e tt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h el t ho r d e rn a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ef r a m ei sr a i s e db y 2 0 9 a n dt h ep r a c t i c es h o w st h a td y n a m i cp e r f o r m a n c ei sb e t t e rw h e ni ti sw o r k i n ga t h i g hs p e e d t h et h e s i s sr e s e a r c hw o r ko f f e r st h ee x p e r i e n c eo fc o n s t r u c t i o nd e s i g na n da n a l y s i s o nt h ep r e s s ，a n dt h i sr e s e a r c hi sa l s op r o v i d ec e r t a i ni d e ai nt h ea s p e c to fi ns h o r t e n i n g t h ep e r i o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t , i m p r o v i n gt h ep r e s sc o m p e t i t i v ea b i l i t y k e y w o r d s ：o f f s e tp r i n t i n gp r e s s ；t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ；v i b r a t i o nt e s t ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ， 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 印刷原理和胶印机的基本结构1 1 2 1 多色胶印原理1 1 2 2 胶印机的基本结构2 1 3 国内外印刷机械的发展情况和研究现状4 1 3 1 印刷机械的发展情况4 1 3 2 印刷机械的研究现状与不足5 1 4 结构动态优化理论及其工程实现7 1 5 本文主要内容和章节安排8 第二章胶印机的振动测试9 2 1 测试仪器和测试方法9 2 2 测试结果分析1 1 2 3 本章小结1 4 第三章胶印机的整机建模：1 5 3 1 有限元分析软件n a s t r a n 和前后处理软件p a t r a n 简介1 5 3 2 胶印机有限元模型的建立1 5 3 2 1 胶印机c a d 模型的建立和简化1 5 3 2 2 结合面的处理1 8 3 2 2 1 螺栓的等效处理1 8 3 2 2 2 轴承的等效处理1 9 3 2 3 超单元法2 1 3 2 4 载荷和边界条件的确定2 l 3 2 5 材料属性和实体单元选择2 2 3 2 6 单元边长选取和网格质量检查2 2 3 3 本章小结2 4 第四章胶印机的静动态分析2 5 4 1 胶印机单元静态分析2 5 4 2 胶印机单元动态分析。2 8 4 2 1 模态分析2 8 川 j i ：1 录 4 2 2 胶印机的频率响应分析3 3 4 3 本章小结3 4 第五章胶印机单元的拓扑优化- 3 5 5 1 结构拓扑优化方法3 5 5 2 胶印机单元的拓扑优化3 6 5 3 胶印机单元优化效果验证3 9 5 4 本章小结3 9 第六章总结与展望。4 0 6 1 总结4 0 6 2 展望4 0 j 2 定谢4 l 参考考文献4 2 i v 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 印刷术是我国古代四大发明之一，对人类文明、社会的进步做出了巨大贡献。印刷 是信息交流、传播文化和科技知识的手段，同时也是一个国家的重要宣传工具，它与人 们的同常生活密切相关，任何人都离不开它。印刷产业是一个朝阳产业，很长时i 日j 内都 不会衰落【l l o 胶印机是市场上的主导印刷方式。从产生以来，经过百余年的发展进步，不断融入 各种现代高新技术，工艺和设备方面较为成熟，并且以其独特的综合优势很快的渗透于 各个行业，遍布世界各地。自2 0 世纪6 0 年代起逐步占领了行业主导地位【2 j 。 目前世界上多色胶印机产品发展方向是高速、多功能、自动化、系列化、数字化， 其中速度是高档胶印机最重要的指标之一，胶印机的减振降噪则是胶印机制造商设计、 制造和技术水平的综合体现1 3 4 1 。 胶印机高速印刷时的稳定性，直接影响到胶印机印品质量的好坏。胶印机的动态特 性对高速工作平稳性的影响是致关重要的【5 j 。实践表明，国产胶印机在高速1 2 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 张d , 时印刷时噪声和振动明显加剧，严重影响印刷质量和工作环境。振动测试表明， 某型胶印机虽然是国内生产的性能较先进的胶印机产品，但与国际著名的同类品牌相比 在噪声和抗振性方面还存在明显的差距。振动过大会影响印刷质量和市场竞争力。国产 印刷设备与进口设备的差距主要表现在设备稳定性差、可靠性低、高速条件下动态特性 不良等方面。缺乏必要的理论和应用研究是造成我国胶印机质量不高的主要根源。 本课题来源于“江苏省科技成果转化专项基会项目”。通过对某型胶印机进行振动 测试，联合进行结构动力学建模、动静态分析，准确识别和分析其振动模态和动态特性， 寻找结构的薄弱环节。通过拓扑优化的手段寻找胶印机的结构优化方案。 1 2 印刷原理和胶印机的基本结构 1 2 1 多色胶印原理 1 2 1 1 油水不相溶原理 油水不相溶原理是平印版复制工艺的基础。常温常压条件下，油和水是不相溶的。 观察油和水两相界面上，油总是以单分子膜取向排列漂浮在水面上。极性分子具有正负 电极，而非极性分子没有电极。极性分子和非极性分子不混溶，极性分子与极性分子相 混溶，非极性分子与非极性分子相混溶。水属于极性分子，而油墨属于非极性分子。在 平版印刷生产中，采用的油墨主要由连接料和颜料组成，连接料中干性植物油非极性基 l 团具有憎水性，连接合成树脂具有高度抗水性1 2 】。 1 2 1 2 网点成像原理 胶印印刷印版图像的主要特点，是用半色调网点的大小组成浓淡深浅的阶调层次， 东南人学硕 j 学位论文 代替原稿上连续晕染的色调，完成原稿图像的复制1 6 】。 任何反射稿或透射稿，均以颜料颗粒或银粒分布的密度，构成联系调晕染的色调心1 。 这种晕染的色调、层次，借助照相或者电脑的方法，将图像剖解分割为大大小小的网点 表现出来。 网点是中心距相等而面积不等的规则排列的黑实点。它是平版印版上最基本构成图 文的单位，具有再现原稿色调及组织层次和图像轮廓的作用。 1 2 1 3 网点组织色彩原理 胶印采用网点呈色原理，通过不同基色网点的大小变化以及相互协调综合来组织丰 富的色彩。网点组织色彩、层次一般有网点并列和网点重叠两重形式。网点并列主要指 在画面的亮部，网点面积小，小网点并列。网点重叠主要指在画面的暗部，网点面积大， 大网点相叠【6 1 。 网点并列呈色，就是将许多单色小点，有规则的排列起来，各单色网点分别控制吸 收了其补色光之后反射出其余的色光，然后并列的多色反射光依据色光加色法合成，形 成新的视觉颜色。 网点重叠呈色，就是各单色油墨经过两到三次叠合后，从而产生新的颜色。多种网 点相叠时，是按照色料减色法呈现色彩吲引。 1 2 1 4 选择性吸附转移原理 选择性吸附转移原理具体可分为印版表面选择性吸附和转移、墨辊对油墨的吸附转 移、橡皮布对油墨的吸附转移、水棍对水的吸附转移、纸张对油墨的吸附性。均是利用 各物体的亲水或者亲油性，将油墨按照规律转移到纸上的。 1 2 2 胶印机的基本结构 普通胶印机由一般传动机构、给纸机构、定位机构、传纸机构、印刷机构、输墨机 构、润湿机构、收纸机构构成。印刷时，自动给纸机构将输纸台上的纸分开，通过输纸 台板将纸送给前规。前规和侧规定位纸张后通过递纸牙将纸张传给压印滚筒，纸张在压 印滚筒和橡皮滚筒中问挤压后完成印刷。印刷好的纸通过收纸机构堆放在收纸台上。 给纸机构主要由输纸台、纸张分离头、输纸台板和输送滚轮等组成。目的是把输纸 台上的纸传送到定位机构。 传动机构主要由电动机、传动部件和执行机构组成。目的是把电机输出的动力传递 到执行机构上。 定位机构主要由前规和侧规组成。目的是保证套印精度，可以在长度和宽度两个方 向上定位。 传纸结构主要有递纸结构和传纸滚筒组成。目的是完成纸张在胶印机各机构问的交 接与传送。 印刷机构主要由印版滚筒、橡皮滚筒、压印滚筒、离合压机构、调压机构组成。印 刷机构是胶印机的核心机构，纸张在此完成印刷。 润湿结构主要由供水、匀水、着水三部分组成。目的是保证印版表面均匀的涂上润 湿液。 一 笙二雯堕堡 输墨机构主要由供墨、匀墨、着墨三部分组成。目的是为印刷机构提供均匀的油墨。 收纸机构主要由收纸滚筒、收纸链条、收纸台组成。目的是将纸整齐平稳的堆放在 收纸台上。 某型胶印机是多色平版胶印机，分为红、黄、蓝、黑四个印刷单元，单元又称色组。 四个色组能更加满足人们的个性需要。图1 - 1 为四色胶印机的外观构造图。图卜2 为每 一单元胶印过程模型。图1 - 3 为纸张在四色胶印机印刷机构的轨迹示意图。 图卜1 胶印机的外观构造图 图卜2 胶印过程模型 3 东南大学硕上学位论文 图1 - 3 纸张在胶印机印刷机构的轨迹 1 3 国内外印刷机械的发展情况和研究现状 1 3 1 印刷机械的发展情况 印版滚筒 橡皮滚筒 压印滚筒 1 4 3 9 年，德国人海德堡发明了世界上第一台印刷机。经过五个多世纪的不断摸索、 研究和发展，已经形成了图版、平版、凸版印刷机。2 0 世纪，随着电子技术、计算机技 术、光电技术、信息技术、网络技术迅猛发展，区别于传统印刷机概念的数字印刷机正 在普及。 凸版印刷机( 1 e t t e r p r e s sm a c h i n e ) 的特点是印版图文部分高过空白部分。印刷过程中， 油墨涂布于印版图文部分，通后压力作用使印版图文部分直接与纸张接触，完成印刷， 凸版印刷机在2 0 世纪6 0 年代前一直占据着印刷工业的主导地位。平版印刷机 ( p l a n e g r a p h i cp r e s s ) 的特点是平板上上的图文先印在橡皮布滚筒上，再转印在纸张上。 1 7 9 7 年，德国人塞纳菲尔德发明了世界上第一台平版印刷机。平版印刷机工艺简单，效 率快，印刷质量好，操作简单。目前占据印刷工业中的主导地位。胶印机是在印版和滚 筒问加上包着橡皮布的橡皮滚筒而得名，一般胶印机指的是平版印刷机。凹版印刷机 ( g r a v u r ep r e s s ) 的特点是印版上的图文部分低于空白部分。通过刮墨刀将空白部分的 油墨刮除，只留图文部分油墨。通过压力作用直接印刷在纸面上。孔版印刷机( p o r o u s p r i n t i n gp r e s s ) 的特点是印版上的图文由各式各样的空洞和网眼组成。孔版印刷机也是 一种直接印刷方式，历史悠久。数字印刷机( d i g i t a lp r i n t i n gp r e s s ) 的特点是利用数字技 术将数字化的图文信息转移到纸张上。数字印刷机广泛采用数字技术，在上世纪发展壮 大的。图文信息是数字化的信息。数字印刷机特别适宜短板印刷、按需印刷、可变印刷 及先发行后印刷等。它包括静电经刷机、喷墨印刷机及直接成像印刷机等【l j 。 胶印机因为印刷工艺和设备较为完善，目前仍然占据着印刷工业的主导地位。胶印 在国外占据印刷总量的三分之二，在国内几乎占据了全部的书刊报纸印刷，占据了包装 印刷的五分之三。 2 0 世纪8 0 年代t i 9 0 年代初是胶印机的鼎盛时期。生产厂商众多，最著名的如德国的 海德堡、罗兰、高宝、米勒、前东德的普拉内塔、波吕格拉夫、日本的小森、滨田、秋 山、三菱重工、瑞典的桑纳、意大利的欧姆莎、内比奥罗、美国的哈罩斯等。多数生产 4 第一帚绪论 商均有4 色生产的能力。此时胶印机最高转速为1 0 0 0 0 转每小时，一台四色印刷机印刷前 的预调整准备时间一般为两小时左右。印刷机自动控制主要集中于自动给纸、自动收纸、 自动清洗、墨色的自动检测及墨龟自动调节以及套准遥控等方面。我国在1 9 8 7 年问自行 设计制造了第一台四色胶印机型p z 4 8 8 0 ，最大印刷速度达到每小时1 0 0 0 0 印小时。虽然， 在缩小与世界先进水平差距方面已经迈出了重要一步。但是在印刷质量、可靠性、自动 控制程度等方面与当时的国际先进水平尚有差距。 9 0 年代末，国际上印刷机械设计制造水平有了大的进步。代表公司有德国的海德堡 公司、罗兰公司、高宝公司以及同本的小森公司。其中r 本公司就成功地丌发了高品位 印刷技术，使印刷技术有了质的飞跃。与第一阶段的机型相比，新一代机型具有以下特 点一速度有进一步提高。由1 0 0 0 0 印每小时提高到1 5 0 0 0 印每小时。印自订预调整时问大 大缩短。由第一阶段的2 小时左右，达到在全自动控制状态下最短为1 5 分钟左右。机 器运行速度的提高使机器实际生产效率大大提高。自动化程度大大提高。新机型实现了 从纸张搬运n e p b u 结束整个印刷机运行及操作系统的全自动化。与高速、高度自动化相 适应的是机械结构及机械系统的高精度。这一阶段印刷机在设计理论及设计观念上有 了较大突破，主要体现在印刷机的整体布局、输纸系统、输墨及输水系统、传动系统、 套准调节系统及其它辅助装置的设计上。保证了高速运行状态下印刷机械的良好印刷质 量及较高的可靠性。在机器的整体布局上，人类工程学设计原理也较多应用在这一阶段 的新型机器。从过去侧重于结构紧凑、占地面积小或单机购置成本低的设计观念转向 强调人的因素以及协调人机关系，更注重工作环境安全舒适，操作方便，劳动强度低 以及提高总体生产效益。我国通过引进技术开发了以b r l 0 4 为代表的具有较高性能的单 张纸胶印机，最高印速可达1 5 0 0 0 张每小时，配置了墨色自动控制系统。但是在质量稳 定性、可靠性、自动控制程度等方面需要改进完善。 2 1 世纪后，单张纸胶印机的某些机型可以达到1 7 0 0 0 印每小时到1 8 0 0 0 印每小时。 印机制造厂商一方面并不极力追求印刷机最大印刷速度的提高，另一方面通过进一步 缩短印前准备时间和更换活件的时间追求更高生产效率。在印刷机械自动化方面，网络 化、生产集成化、数字化工作流程、与管理信息系统的链接等技术成为开发的重点。8 色组，甚至1 0 色组的多色组双面印刷、附加联线印后加工功能成为各类单张纸胶印机的 发展趋势剐。 1 3 2 印刷机械的研究现状与不足 近年来，国内高等院校等科研单位、大型胶印机制造企业对胶印机进行了运动学及 动力学的初步研究。总体上，国内印刷机的研究处于机构层面，缺乏对印刷原理等深层次 的研究1 9 】。世界上著名的胶印机制造企业海德堡公司、曼罗兰公司、高宝公司在胶印机 的动态测试及设计方面进行了大量基础理论和应用研究。国外学者着重进行了胶印机的 非线性振动、图文转移机理、印刷材料、在线质量检测等印刷原理的研究。国内外的研 究主要集中在以下方面：非线性振动对印刷过程的影响、图文转移机理、印刷品质量在 线检测、材料印刷适性、卷筒纸印刷机的张力控制【1 引。 海德堡公司对胶印机墙板进行了有限元分析。确定了胶印机的振动形态，分析了各 构件的模态对印刷质量的影响。经过实验研究，得出了激励和动念响应之i 丑j 的传递函数， 由此提出了结构加固措施，提高了胶印机的运转稳定性。g a o 等【1 1 】对胶印机墙板进行了 振动研究和有限元分析。通过结构动态优化设计，提高了印刷机的高速运转工况的稳定 性。b u c k 掣1 2 j 研究了单张纸胶印机的非线性振动情况，提出了非线性振动测量及仿真 的方法。b a r t l e t t 等u 列研究了高速印刷滚筒的转动及扭转，提出了仿真方法。k l i n g e r 1 4 j 5 东雨人掌坝i ：学位论文 研究了纸张在压印区受到的应力，考虑多种印刷材料物理参数的影响，进行了压印过程 的数学仿真和实验研究，测量了纸张从橡皮布上的剥离力、压印滚筒的咬纸力、承印纸 张的应力。y a m a s h i t a 等【1 5 】通过印刷品对各种波长光的吸收性不同来识别印刷品密度的 不均匀性。他考虑到了人类对物体空间大小的视觉灵敏度不同，通过实验获得了印刷品 不均匀性的数据。k a r a th a n a s i s 1 6 1 等采用不同色料组份和不同涂料结构的纸张进行印刷 试验，并评价它们的刷性能。研究发现，纸张孔隙和表面结构对印刷性能，如油墨固化率、 印刷品光泽度和摩擦阻力等有很大影响。 王潇 1 7 l 利用有限元方法对胶印机整机基础件结构及底座构件进行有限元建模、数 值模拟分析，得到系统的前十阶固有频率和模念振型。通过优化提高了基础件的低阶固 有频率。杨冬梅【5 j 证实了北人n 3 0 0 胶印机在印刷时确实发生了共振现象，通过结构优化， 保证了北人n 3 0 0 胶印机在印刷速度为4 0 0 0 张d , 时一1 5 0 0 0 张小时范围内不发生共振， 从而实现了把整机的最大噪声声压级控制在8 5 d b ( a ) 以下的目标。杨家华【l8 1 9 】等采用有 限元方法，对复杂的印刷机结构进行了模态分析，从避免共振的角度，完成了该印刷 机结构的改进设计，讨论了有限元分析中单元的选择、零件结合面的处理以及机器模型 的建立方法。认为该方法可以应用于各种机械结构的减振降噪设计。同时对印刷机进行 了振动测试，说明印刷机在印刷过程中存在结构共振现象，通过采用脉冲锤击方法给出 了典型的频率响应曲线，说明测试样机滚筒的转动频率与固有频率重合时，会产生共 振。严巍1 2 0 j 对胶印机进行了整机动态测试和分析，发现振动来源于墙板的弯曲和扭转变 形。陈一军i z ”对压印滚筒进行振动测试，通过测试结果和理论分析提出了降低压印滚筒 振动的方法和措施。王仪明等1 2 2 j 法建立了串墨机构受力分析的数学模型，根据数值法编 制出各运动副反力的计算和曲线绘制程序。实例计算反映出串墨机构承受胶印机墙板的 反力特点发现在换向位置构件各运动副反力和反力矩均出现突变，容易引起墙板振动， 设计时应给予重视。王芳等1 2 3 j 利用有限元法计算了橡皮滚筒的模态，并验证了胶印机的 最大工作转速的可靠性。唐万有1 2 4 】对刚性滚筒与弹性滚筒间的压力进行了研究。分析确 定了印刷滚筒包衬的压缩变形量和滚筒挠度的计算方法，然后通过压缩变形量计算横 截面上的最大印刷压力、任意点印刷压力和总印刷压力。詹磊【2 5 】对填充有减振泡沫铝的 新橡皮滚筒和现有橡皮滚筒承受空档冲击过程进行有限元仿真，发现填充有泡沫铝的新 橡皮滚筒能加速振动能量的衰减。杨新艳1 2 6 j 通过有限元法对压印滚筒进行了静动态分析 和动态优化，优化后的压印滚筒挠度和固有频率都有改善。刘琳琳 2 7 1 将滚筒挠曲变形作 为变截面简支梁问题研究，编写了e p 届, j 滚筒挠曲变形程序，研究发现滚筒挠曲变形研究 中重力载衙影响不可忽略。对压印滚筒挠曲变形的分析，获得了滚筒在印刷压力作用下 的动静态工作特性，为滚筒结构的改进设计提供指导性意见，提出的主动补偿方法为滚 筒结构的创新设计提供思路。黄颖为 2 8 1 对印刷机滚筒进行动平衡研究。运用有限元分析 软件进行建模与分析，最终得到滚筒模态的相关数据和信息。证明滚筒高速工况的合理 性。 在已有针对胶印机结构优化的论文中，存在以下不足：1 ，很多论文都针对胶印机 某一部分，如基础部件，底座，滚筒等单件或少数几个零件的优化，缺少对胶印机整个 单元，包括基础部件和滚筒，统一为一个研究对象的静动态分析和优化。2 ，关于螺栓 结合面的处理，多数研究都作为刚性连接，即简单把2 个零件合并成一体加以分析，这 大大增加了整体的刚性，所分析的结果不够精确。3 ，关于轴承刚度的处理，多数论文 的估算公式没有考虑到滚子数量、滚子有效接触长度、滚子接触角对轴承刚度的影响， 所得轴承刚度结果精度不足。4 ，在有限元仿真中，多数论文采用3 个线性l i n k il 单元模 拟1 个轴承，建模效率低，并且不足以反映弹簧刚度的非线性。5 ，多数论文对结构优化， 还处在原始的手王改尺寸，多次计算分析对比结果的阶段。缺少对现代结构优化理论， 6 第一章绪论 尤其是拓扑优化等理论的应用，优化工程量大，耗时长，并且不容易寻找到最优的优化 变量值。6 ，多数研究没有应用子结构法，或者超单元法等提高建模计算的效率。 1 4 结构动态优化理论及其工程实现 现代结构优化，主要指数值结构优化或计算机结构优化，其研究内容是把数学规划 理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学的、系统的、可靠而又 高效的方法和软件，自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。在规定的各种 实践限制条件下，将实际问题首先转化为最优问题，然后运用最优化原理和方法，在计 算机上进行自动调优计算，从满足各种设计要求及限制条件的全部可行方案中，选出最 优设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。优化方法有古典的微分法和变分法、 数学规划优化法、准则优化法、混合优化法、混合法及仿生物学法【2 引。 结构优化是考虑了约束条件和设计准则，寻求设计变量最优值的一个自动设计过 程。结构优化设计是工程设计的一个特定阶段。结构优化设计包括结构形状优化、结构 尺寸优化、结构拓扑优化等。从数学上来说，只有极简单的结构可以用解析方法，绝大 部分结构优化必须用数值方法求解3 0 1 。结构优化的一般步骤如下图卜4 。 图i - 4 结构优化设计流程图 优化方法在航空、造船、机械、电子、交通、建筑、石化及管理等设计领域得到了 广泛的应用，而且取得了显著的技术、经济效果。就机械行业而言，优化设计是从8 0 年代才开始重视和研究，已取得了初步成果。如常用机构及机械零部件优化设计、平面 连杆机构优化设计、齿轮传动优化设计、螺旋弹簧优化、2 k h 行星轮系优化设计、流体 动压滑动轴承优化设计、凸轮机构优化设计、气轮机形优化设计等等。普遍开展了以提 高机构性能的机构参数优化、为了减轻结构重量或降低结构成本或延长结构使用寿命的 机械结构优化、各种传动系统的参数优化及机械系统的隔振与减振优化等应用研究【3 1 1 。 7 东南人学顾l ：学位论文 1 5 本文主要内容和章节安排 图卜5 论文章。钳安排示意图 本课题的研究内容拟大概包括以下几个方面： 1 简要介绍胶印机的基本构造和印刷原理，胶印机的发展情况和研究现状。 2 介绍胶印机的振动测试方法、过程和结果分析。 3 重点介绍胶印机有限元模型建立过程。首先在s o li d w o r k s 2 0 0 6 里面建立胶印机的c a d 模型，再利用p a r a s o l i d ( x _ t ) 格式导入到m s cp a t r a n 中，针对前面列出的已有研究的 不足，特别利用m p c 等效螺栓，利用c b u s h 单元等效轴承，同时对小的特征进行必要的 简化，为缩小求解规模，加快求解速度采用超单元处理墙板、撑梁等部分。采用t e t l o 单元为主体建立胶印机的有限元模型。 4 对胶印机进行静力学和动力学分析，通过分析，联合实验结果，确定胶印机的振动薄 弱环节。对滚筒进行瞬态响应分析，为下一步工作做准备。 5 对胶印机单元进行拓扑优化，以结构第一阶固有频率最大为目标函数，优化区域质量 约束为1 0 ，利用n a s t r a n 进行拓扑优化。由此得出新机型的优化方案。通过谐响应分 析，证实新胶印机动态性能得到优化。 6 对已有工作进行总结，对下一步工作进行展望。 8 第_ 二章胶e l i ) 0 l 的振动测试 2 1 测试仪器和测试方法 第二章胶印机的振动测试 印刷过程是受很多因素的相互作用所制约的过程，其中最重要的因素有：主要工艺 材料( 纸张和油墨) 的性质和它们参与相互作用的条件( 印刷运动的几何原理、压力、速 度、干燥装置的存在及其他) 以及不断变化的外界环境( 影响印刷质量的各种振动，包括 周围环境的振动，电机的振动，以及印刷机本身由于运转而引发的振动等等) 1 1 烈。 实践经验表明，胶印机高速运转时机体产生的振动将会使胶印机的印刷质量受到 很大影响因此，提高胶印机的抗振性能，进行胶印机结构的动态优化设计以提高胶印 机印刷质量和速度，是胶印机产品丌发研究中的重要课题，而其前提是要对胶印机机 体振动特性有全面正确的了解【1 9 1 。为了解胶印机在不同转速下各关键部位的振动情况， 整理出胶印机各工况下关键部位的振动规律，寻找胶印机振动薄弱环节，对某型胶印机 进行了振动测试。 测试仪器采用l d s 信号分析仪，压电式加速度传感器，型号：c a y d 1 5 2 a 5 4 0 3 4 ， c a y d 一1 8 2d 1 2 ，c a y d 1 8 2d 4 0 。l d s 信号分析仪实物图如图2 - 1 。测试系统框图如 图2 - 2 。三向传感器方向放置示意图如图2 - 3 所示，其1 1 个测点布置如表2 - 1 所示。 图2 1l d s 信号分析仪实物图 9 东南大学硕i ：学位论义 图2 - 2 测试系统框图 回 图2 - 3 三向传感器安装位置示意图 表2 1 ：传感器放置位置 序号测试机号三向传感器位置单向传感器位置 l4 # 上墙板橡皮滚筒 24 # 前传滚筒下摆动器 34 # 橡皮滚筒套收纸方向摆动器共轭凸轮摆臂支板 44 # 印板滚筒墨斗1 6 53 # 上墙板橡皮滚筒 63 # 橡皮滚筒套收纸方向中传滚筒 73 # 印版滚筒墨斗1 6 83 # ， 4 # 3 # 离合压凸轮摆臂支轴4 # 离合压凸轮摆臂支轴 92 # 上墙板橡皮滚筒 1 02 # 压印墨斗1 6 11l # ，2 #l # 离合压凸轮摆臂支轴 2 # 离合压凸轮摆臂支轴 在胶印机胶印机各个转速下，分别测量记录一段时i 日j 的加速度值，每次测量时间大 一 第- 二章股印机的振动测试 约为3 0 秒钟。压电式加速度传感器把加速度信号传送给l d s 信号分析仪，l d s t 言号分析 仪对数据进行行采样、波形显示、谱分析等，同时把数据传送给计算机做存储和进一步 的分析。 2 2 测试结果分析 为了获得更加精确的结果数据，特别在振动分析过后，对所用的压电式加速度传感 器进行了标定。标定时的仪器连接方式类似振动测试时的连接方法。标定方法是对传感 器输入一个标准的1 g 2 h 速度，在l d s 上读取结果，l g 与结果的比称为每个加速度传感器 的修证系数。把已有的振动测试结果，乘以相对应传感器的修正系数，即为真实的振动 加速度。 一般而言，加速度均方根值能代表振动的特性。从测试的结果来看，胶印机的整机 振动情况非常复杂，表现出强烈的非线性和随机振动特征。但是上墙板的振动情况非常 有规律。图2 4 为3 号色组上墙板z 向加速度均方根值。由图2 - 4 可知，上墙板z 向加速度 均方根值均在4 3 1 m s 2 以上。尤其当转速接近1 4 0 0 0 r h 时，3 号色组上墙板z 向加速度均 方根值迅速达到1 3 5 2 m s 2 以上。 图2 5 为3 号色组上墙船向加速度均方根值，由图2 - 5 可知，上墙船向加速度均方 根值均在3 1 2 m s 2 以上。尤其当转速接近1 4 0 0 0 r h 时，3 号色组上墙船向加速度均方根 值迅速达到1 3 1 2 m s 2 以上。 图2 6 为3 号色组上墙板y 向加速度均方根值，由图2 - 6 可知，上墙板y 向加速度均方 根值均在5 m s 2 以上。尤其当转速接近1 4 0 0 0 r h 时，3 号色组上墙板y 向加速度均方根值 迅速达到1 8 m s 2 以上。 这种测试结果和在测试现场人的直接感觉是一致的。在现场，当印刷速度达到曲线 上的峰值位置所对应的速度时，印刷机振动明显加剧，发出的噪声也明显地加强。 可以很明显看出，某型胶印机的墙船、y 、z 向加速度随转速增加而增加。尤其胶 印机转速接近1 4 0 0 0 r h 时，x 、y 、z 向加速度达到最大。在此时滚筒的回转频率为3 8 9 h z 。 因此，当胶印机转速接近1 4 0 0 0 r h 时，胶印机整机的某阶或者某几阶固有频率，与整机 激励力的基频或者谐频重合。 运用l d s 可以很方便的得到振动信号的频谱和功率谱密度函数图。本文得到了胶印 机在各个转速下振动信号的时域图和p s d 图。图2 - 7 、2 - 8 分别为胶印机在1 5 0 0 0 转每小时 时，3 号色组上墙板z 向加速度时域图和功率谱密度函数。图2 9 为1 1 0 0 0 转每小时时，3 号色组上墙板z 向加速度功率谱密度函数。为增大分辨率，只给出了p s d 图的0 - 1 1 0 h z 分 布。由图2 7 可知，最高转速时此点z 向加速度较大，最大达n 6 8 6 8 m s 2 。由图2 - 8 可知， 胶印机振动的频域信息比较明显，突出特点是频率较低，其中1 6 5 h z 和3 3 5 h z 对应加速 度较大。证明这2 个频率附近可能存在固有频率，并且这2 阶振动的能量较大。图2 - 9 表 明，胶印机在不同转速下同一点振动的加速度功率谱密度函数并不完全相同，证明胶印 机的振动具有非线性的特征。图2 - 9 同时表明，1 6 5 h z 、1 0 0 h z 对应加速度较大，这也证 明了由图2 8 所得到的结论。胶印机其他转速时的功率谱密度函数图，也能得出类似结 论。因此，通过胶印机的结构优化，控制1 6 5 h z 和3 3 5 h z 这2 阶振动，就能有效的降低 胶印机的振动。 胶印机墙板采用拼接结构，大面积的平板式结构导致板面振幅加大。从输入系统的 能量角度来分析，墙板承受的功率流占输入到系统功率流的绝大部分【3z | 。 东南人学颂l ：学位论文 14 12 g 套 i 佃 8 耋6 p 、j 1 4 1 2 鼍1 0 逛鱼 早釜8 斗r 毒? 6 4 2 4 46810121416 转速( 1 0 0 0 r h ) 图2 43 号色组上墒板z 向加速度均方根值 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 4681o12 1 4 转速( 1o o o r ，h ) 图2 - 53 号色组上墙板并向加速度均方根值 1 6 _l|褒l|f雠蚓 髻墨 csf量聪篓黪藿 第二章胶e i j 移l 的振动测试 8 0 6 0 4 0 2 0 o 焉 一2 0 4 0 一6 0 o oo51o1 5 时f n - j ( s ) 图2 74 1 7 转秒时3 号色组上墙板z 向加速度图 2o 8 6 4 2 0 o 2 04 0b o8 0 频率( h z ) 图2 84 1 7 转秒时3 号色组上墙板z 向加速度功率谱 1o o 02 04 0b ob 0 频率( h z ) 图2 93 0 6 转秒3 号色组上墒板z 向加速度功率谱 10 0 一造s 趔 趟煳 b 7 b 1 1 ) 4 3 2 1 o 一警一鲤 嚣藿n 一7se一覃i埘艘寰雹n 东雨人掌坝i 学位论艾 由实验结果断定，胶印机的振动属于低频和中频振动。其中，墙板和上墙板是胶印 机的薄弱环节。该胶印机整体的振动主要是由墙板的频率共振引起的。针对胶印机整机 的优化设计，可以围绕墙板的优化进行。 胶印机的功能必须依靠滚筒的滚动和摆动器的摆动来实现，这就造成墙板受到周期 性的激励力。该激励力在机构运行中是必要的工作驱动力，其频率是难以更改的，并且 属于低频激励。所以，运用计算机辅助设计，提高机架的固有频率，避开激励力的频率 范围，降低在胶印机工作时的共振，能有效提高印刷质量【3 3 1 。 、2 3 本章小结 本章采用振动分析仪，对某型胶印机在4 0 0 0 r h 1 5 0 0 0 r h 不同转速下振动情况进行 了测量。简要说明了实验目的、实验原理、实验仪器和测试系统框架图。对实验结果的 进一步分析结果显示，随着印刷速度的增大，印刷机振动明显加剧。胶印机的整机振动 情况非常复杂，表现出强烈的非线性和随机振动特征。但是上墙板的振动情况非常有规 律，可以很明显看出，某型胶印机的上墙板苁k 饷加速度随转速增加而增加。并且 在胶印机转速接近1 4 0 0 0 r h 时，瓜只饷加速度达到最大。由此可以断定，当某型胶 印机转速接近1 4 0 0 0 r h 时，胶印机整机的固有频率，与整机激励力的基频或者谐频重合。 由振动信号的功率谱密度图，得出在1 6 5 h z 和3 3 5 h z 附近这2 阶振动