（机械设计及理论专业论文）柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 纤维缠绕补强技术是当前在柱状建筑物修复补强工程技术中使用的一种比较先进 的补强技术，但是在当前施工过程中，对纤维的缠绕工作依然是依靠工人手工操作，纤 维的缠绕速度和缠绕过程中纤维的预紧力都不能够得到控制和保证，所以也就影响了纤 维缠绕补强的效果；而且工人在施工的过程中必须在高高的脚手架上作业，人身安全得 不到相应的保障，当前又没有一种可行的机械设备代替工人来实现纤维的缠绕工作，本 文正是基于这种工程需求，结合当前纤维缠绕成型机的研究，提出纤维补强缠绕机的概 念设计。 本文从工程实际需要入手，简要介绍纤维缠绕补强和纤维缠绕成型机的概念，从整 体上对系统进行功能分析和工艺动作分解，提出整体结构构思和设计方案，建立纤维补 强缠绕机的概念设计模型和运动结构模块。针对每个结构模块的运动分析和功能需要， 提出相关的结构模型，对重要的部件进行相关的设计计算，确定几何尺寸。 利用虚拟技术和相关的工程设计软件，进行结构的实体建模和虚拟装配，并对主要 的运动部件进行运动仿真和干涉检查，验证零部件设计、装配和运动的可行性。 根据系统工作过程中的受力情况，利用工程分析软件对重要的部件进行有限元分 析，根据有限元的计算结果，对这些部件进行了强度和刚度校核，为设计的可行性提供 了理论依据。 最后对纤维缠绕过程中的张力控制系统进行了阐述，对几种张力执行元件的优缺点 进行了比较，建立纤维补强缠绕过程中张力控制系统的总体模型。 综上所述，本文的意义与价值在于：提出一种解决纤维补强工程施工中存在的问题 的方法和途径；建立整个纤维补强缠绕机的结构模型，并进行概念设计；为工程技术的 发展提供技术和设备支持，促进纤维补强技术的发展。 关键词：概念设计；纤维缠绕；张力控制；虚拟装配：运动仿真 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 t h ec o n c e p t u a ld e s i g no ff i b r ew i n d i n gm a c h i n ei nc o l u m n b u i l d i n gr e i n f o r c e a b s t r a c t t o d a y f i b e rw i n d i n gr e i n f o r c ei s o n eo f 也em o s ta d v a n c e dt e c h n i q u e si nt h ef i e l do f p r o j e c tc o l u m nb u i l d i n gs t r e n g t h e n n o w a d a y s ，m a n u a lo p e r a t i o ni s s t i l lt h em a i nw a yo f w i n d i n gf i b e r t h e r e f o r e ，n o to n l yd ot h ee f f e c to fr e i n f o r c e sf o rt h es p e e da n dt h et e n s i o no f t h ef i b e rc a n n o tb ec o n t r o l l e d , b u ta l s ot h ed a n g e rf o rw o r k e r sw h ow o r ko nt h eh i g h f r a m e w o r ki n c r e a s e d o t h e r w i s e ，t h e r ei ss t i l ln oa v a i l a b l ee q u i p m e n tt h a tc o u l dt a k et h e p l a c eo ft h ew o r k e rt oi m p l e m e n tt h ef i b e rw i n d i n g b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h i s e n g i n e e r i n gp r o j e c ta n dt h es t u d yo ft h ef w s h a p i n gm a c h i n e ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h e c o n c e p t u a ld e s i g no f t h ef i b e rr e i n f o r c ew i n d i n gm a c h i n e b a s e do nt h ea c t u a ln e e do fp r o j e c t , t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ec o n c e p to f t h ef i b e rw i n d i n g r e i n f o r c ea n dt h ef w - s h a p i n gm a c h i n ei nb r i e f , a n dc a r r yo u tf u n c t i o na n a y s i sa n dc f a 丘 m o v e m e n td e c o m p o s i t i o nf r o mw h o l ef o rs y s t e m t h e np u tf o r w a r do v e r a l ls t r u c t u r a l c o n c e p t i o na n dd e s i g np l a n t h ec o n c e p t u a ld e s i g nm o d e lo fm a c h i n e i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t oe a c hs t r u c t u r em o d u l em o v e m e n ta n a l y s i sa n df u n c t i o n ，r e l e v a n ts t r u c t u r em o d e l i ss e tu pa n dc a l c u l a t i o ni sg o i n go nt od e f i n i t eg e o m e t r ys i z ef o rt h ei m p o r t a n tp a r t t a k i n ga d v a n t a g eo f t h ev i r t u a lt e c h n o l o g ya n dr e l e v a n te n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r e ，t h e e n t i t ym o d e la n dt h ev i r t u a la s s e m b l ya r ee s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，i n t e r f e r e n c ec h e c k i n ga n d k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf o rt h ek e yp a r t sa r ed o n e ，w h i c hv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o m p o n e n td e s i g n , t h ea s s e m b l ya n dm o v e m e n to f t h ek e yp a r t s a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t hs i t u a t i o no ft h es y s t e mu n d e rw o r k i n gc i r c u m s t a n c e s ，t h e i m p o r t a n tp a r t so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e db yu s i n go ff e m b a s e do nt h er e s u l to ft h ef e m c a l c u l a t i o n ，i n t e n s i t ya n ds t i f f n e s so ft h e s ep a r t s a r ec h e c k e dw h i c ho f f e rt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r t h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g n a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mu s e di nf i b e rw i n d i n gi se x p l a i n e d ， a n db a s e do nt h ec o m p a r eo fa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fs o m ek i n d so ft e n s i o nc o n t r o l e x e c u t i v ec o m p o n e n t s ，t h ef r a m e w o r ko ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i b e rw i n d i n g r e i n f o r c ei sc o n s t r u c t e d a b o v ea l l ，t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r c ：b r i n gu pam e t h o do fs o l v i n gt h e e n g i n e e r i n gp r o b l e mi nf i b e rw i n d i n gr e i n f o r c e ；c o n s t r u c tt h ef r a m e w o r kf o ri m p l e m e n t ； 大连理工大学硕士学位论文 p r o v i d es u p p o r tf o re n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tw i t hk n o w l e d g ea n de q u i p m e n t ； p r o m o t et h ep r o g r e s so f f i b e rr e i n f o r c e k e yw o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ：f i b e rw i n d i n g ：t e n s i o nc o n t r o l ：v i r t u a la s s e m b l y ： k i n e m a t i c ss i m u l a t - i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 出玺2 盔杰土 导师签名：丞丝生 导师签名：教苏鲞 型兰年三月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着科技和工业技术的发展，近年来在柱状建筑物修复工程中逐渐使用了一项新技 术一纤维缠绕补强技术，在施工过程中，需要把纤维丝或者纤维布缠绕在柱状建筑物的 表面，再利用环氧树脂加以固化来达到对建筑物的补强目的。这项技术的使用，不但提 高了工程施工的质量，而且加快了工程施工速度，促进了建筑补强技术的发展。 但是在传统的纤维缠绕补强施工过程中，对纤维的缠绕工作依然是依靠工人手工操 作，在缠绕过程中，纤维的缠绕速度和缠绕过程中纤维的预紧力都不能够得到控制和保 证，因而影响了纤维缠绕补强的效果；而且由于纤维的缠绕工作都是由工人操作，因而 在施工过程中，工人需要搭建脚手架，工人在高高的脚手架上作业，在工作过程中，不 能保证工人的人身安全。虽然当前纤维缠绕成型机的研究已经达到相当高的水平，但是 这种缠绕成型机并不适用于纤维补强的工程施工。 而作为机械行业的设计研究人员就是要善于发现工业技术中的问题，并用自己掌握 的知识技能来解决这些在工程技术中出现的问题，设计合理的机械设备，改善工程施工 质量，改善工人的工作环境，以此来促进科技和工程技术的发展。 本文正是基于这种工程需求，结合当前纤维缠绕机的发展趋势，提出了纤维补强纤 维缠绕机的概念设计，确定纤维缠绕机的总体功能，通过设计理念的具体构思，进行功 能分析和工艺动作过程分解，选择合适的执行机构系统，进行系统的结构设计。 1 1 概念设计概述 任何一种优秀的产品，设计是先行。没有优秀的设计就没有优秀的产品。产品设计 的关键阶段是产品设计的前期工作过程，这一过程人们统称为概念设计( c o n c e p t u a l d e s i g n ) 。一些工业发达的先进国家都十分重视对产品概念设计的内涵、理论、方法和 技术的研究。概念设计己逐渐被广大设计人员所理解和接受。“概念车概念机”己 纷纷在产品展示会上展出，使人们加深了对产品概念设计的认识。 产品设计是一个非常复杂的过程，是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从 抽象到具体的过程。由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解，产 品设计过程被描述为不同的形式，主要有以下三种【l 】：一是p a h l 和b e i t z 认为：机械设计分 为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是k o l l e r 认为：机械设计 分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机 械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。不管如何划分，都 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 要解决做什么的问题，怎么做的问题和具体怎么做的问题，将设计结果转化为各种文件 输出。 在上述产品设计过程中，概括起来说，设计的主要步骤是两步：一是概念设计 ( c o n c e p td e s i g n ) ，另一是构型设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 。前者的目的是制定设计 方案，而后者的目的是设计出具体的产品构型。其中概念设计是产品设计中的重要阶段， 是整个进程中最终决定产品技术经济效果的关键阶段。概念设计在产品设计过程模型中 的地位及其作用吲，如图1 1 所示。 图1 1 概念设计地位和作用 f i g 1 1t h e $ t a ：t t l sa n d f u n c t i o no f t h e c o n c e p t d e s i g n 可见，概念设计是设计过程的初步阶段，其目的是获得足够多的有关产品的基本形 式或形状的信息。根据产品概念设计的定义，以及学者们对概念设计及其过程等各方面 的研究，产品概念设计阶段有以下特点1 3 ： ( 1 ) 创新性：创新是设计的灵魂。产品创新的核心阶段是产品设计的初期和定性阶 段一概念设计阶段，创新性自然是概念设计阶段的最大的特点。设计方法学中的广泛研 究的创新方法和理论，同样可以运用在概念设计阶段的创新上。 ( 2 ) 多样性：概念设计阶段，可供选择的设计原理和设计路径等的多样性，造成概 念设计方案的多样性，形成了概念设计多样性。 ( 3 ) 信息残缺性：在产品设计初期，设计从需求信息开始就是不确定、不完整的， 随着概念设计的进行，逐步完整设计需求和各种约束，但是直到概念设计结束，得到的 仍然是产品的方案，即产品的定性框架，具体的几何信息、加工信息等等都是残缺的， 产品信息是不精确、不确定、不完全的，是残缺的、不定量的信息。 ( 4 ) 跨领域性：概念设计的跨领域性体现在：产品概念设计阶段涉及到的知识范围 很广，从市场需求分析和预测、设计理论和方法、人机工程学到机械设计、工艺设计、 加工制造，以及环境保护等等领域。 ( 5 ) 全局性：从概念设计的结果来看，概念设计是影响全局，即产品全生命周期的 阶段，概念设计期间的各种信息要传递到后续设计阶段，指导完成设计，并且在需要进 大连理工大学硕士学位论文 行再设计时，又会回溯到概念设计阶段进行细节修改。当然这种情况实际上应该尽量避 免。 1 2 柱状建筑物纤维缠绕补强简介 建国以来，特别是改革开放以后，随着经济建设的迅猛发展，我国建筑业也有了飞 速发展。在新建房屋不断增加的同时，对现有结构的维护和补强加固也引起了工程界的 广泛重视。维护和补强加固已成为建筑工程的一个重要领域，建筑业的历史表明，精心 维护与精心设计、精心旌工同样可以延续结构的寿命，使老旧损坏的建筑焕发青春。世 界上的经济发达国家在经历了大规模新建阶段后已进入新建与改建并重阶段，并转向旧 建筑的改造为发展重点阶段。资料介绍，美国建筑物的加固维修改造将成为2 1 世纪的建 筑业的重点。据统计，美国土木建筑工程业占全国国民经济产值的1 3 ，加固与维修费 用占其中的5 ，按美国的情况，一般加固与维修的投资仅为新建筑投资的l o 2 0 _ j 6 ，因 此，实际在美国加固维修及改造旧建筑的工程总数将是新建工程数的5 倍左右。有人预 言，建筑和构筑物的加固维修和改造将是美国2 l 世纪第九大产业。 随着建筑业、交通业飞速发展的同时。对建筑物和桥梁结构制定了一定的设计基准 使用期，我国对建筑物取为5 0 年 4 】，对桥梁结构取为1 0 0 年r 5 1 ，而我国在建国后建造的大 量桥梁和建筑大部分已经接近5 0 年，这么多的古老建筑由于当时设计标准的落后，再加 上很多因素会缩短现有建筑结构、桥梁结构的使用寿命，针对这些建筑，实际情况并不 允许将其全部推倒重建，而只能采取适当的技术措施，对其进行补强与加固处理，使这 些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求，继续为社会服务。 在众多需要修复补强的建筑物中，柱状建筑物占据了较大的比重，比如桥墩、建筑 物的支撑柱等，统计资料显裂6 1 ，我国现有公路桥梁2 3 万余座，其中桥龄在2 0 4 0 年间的 已有9 万余座，这些桥梁的桥墩由于材料老化、超载或自然现象等原因，都拯待修复。 针对这些柱状建筑物，传统的结构加固补强方法主要有【k ( 1 ) 加大截面加固法。加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧 重新浇注混凝土以增加构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的。如在原有的钢筋混 凝土柱的周边，浇注一层钢筋混凝土周围套，通过采取一些有效的技术措施保证新旧钢 筋混凝土形成整体，这样就可以提高柱的承载能力和冈度。 ( 2 ) 外包钢加固法。外包钢加固法是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法 对梁柱等外包型钢进行加固。该方法主要是通过约束原构件来提高其承载能力和变形能 力。如在钢筋混凝土或砖柱的四角，设置角钢，并用缀板将角钢连成一体，采取一些技 术措施保证角钢参与工作，这样就起到了对柱子的加固作用。 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 ( 3 ) 粘钢加固。粘钢加固是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘结钢板，是提 高结构承载力和变形能力的一种加固方法。 ( 4 ) 喷射混凝土技术。喷射混凝土技术是借助喷射机械。利用压缩空气或其他动力， 将一定比例配合的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种 混凝土。 ( 5 ) 增设构件加固法。增设构件加固法是在原有的构件之间增加新的构件，如在两 根柱子之间增加一个新柱子等，从而减少原有构件的受荷面积，减少荷载效应，达到结 构加固的目的。 对于上述的传统的加固方法，都能达到对建筑物进行补强的目的。但是这些传统的 加固方法都存在着一定的缺陷，除去带有共性的化学腐蚀问题外，还表现在增加构件自 重、节点不易处理、施工难度较大等问题。 随着新兴工业和高科技的发展，高强度纤维材料被应用于建筑物补强施工过程中。 碳素纤维是一种纤维材料，它的发展始于5 0 年代。1 9 5 0 年，美国w r i g h tp a f f e r s o n 空军基地将人造丝通过高温索引制成最初的碳纤维原丝。在此之后，经历了各种改造及 发展，1 9 6 9 年日本科学家成功的从特殊的共聚p a n 纤维中生产出高强度、高弹性模量的 碳纤维。这在碳纤维的发展历史上是一项重要的突破，碳纤维的最终定型产品是由聚丙 烯晴( p a n ) 、人造丝、石油或煤、沥青、酚醛树脂等为原料制成的。因此，碳纤维本身 具有非常优良的材料特性。 起初纤维材料主要应用于航空航天等领域，随着补强技术的研究和发展，它的优良 特性也在结构补强领域中展现出来，纤维材料的性能特点主要表现在： ( 1 ) 用于结构加固修补的碳纤维强度为建筑用钢的十倍，弹性模量与建筑用钢材在 同一水平上并略有提高，是一种绝好的结构加固修补用材料。实际加固修补用碳纤维材 料可以为纤维丝或碳纤维织物，并有各种不同型号与尺寸【8 。l 。 ( 2 ) 施工便捷、工效高、适用面广，纤维补强可广泛适用于各种结构类型( 如建筑 物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱) 、各种结构形状( 如矩形、圆形、曲面结构等) ， 且不改变结构形状及不影响结构外观，这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。 ( 3 ) 碳纤维材料质量轻且厚度薄，粘贴后每平方米重量仅1 o k g ( 包括树脂重量) ，粘 贴一层的厚度仅1 o m m 左右，加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸。 ( 4 ) 具有级佳的耐腐蚀性能及耐久性能，纤维材料可以抗拒建筑物经常遇到的各种 酸、碱、盐对构筑物的腐蚀，达到双重加固修补的目的。 由于这种补强方式具有比传统补强更优越的性能和施工方便性，所以越来越被应用 于柱状建筑物的补强当中。 大连理工大学硕士学位论文 1 _ 3 纤维缠绕机简介 纤维缠绕机是纤维缠绕成型工艺过程中的一种机械，纤维缠绕成型就是将浸渍过树 脂的连续纤维，按一定的规律缠绕到芯模上并层叠至所需的厚度，然后在加热或常温下 固化制成一定形状制品的工艺方法。按照现代成形学的观点，纤维缠绕成型属于堆积成 形，而传统机械加工方式属于去除成形。 图1 2 直观地说明了纤维缠绕的基本过程，纤维缠绕机犹如一台简易的的车床，把 张紧的纤维按预先设计好的路径铺放到芯模上，最终形成以纤维为增强材料、树脂为基 体的复合材料产品。 图1 2 纤维缠绕过程 f i g 1 2p r o c e s so f f i l a m e n tw i n d i n g 缠绕机是缠绕成型工艺中的关键设备。纤维缠绕( f w ) 技术的出现促进了相应的工程 机械纤维缠绕机的研制。1 9 4 7 年美国k e l l o g 公司与海军合作研制出世界上第一台缠绕 机，在4 0 年代中后期主要采用机械控制缠绕机，称为第一代缠绕机。该类缠绕机生产效 率低、精度不高、灵活性和适应性差，但制造成本低、工作可靠、易掌握、适于加工简 单形体和批量生产的缠绕制品。我国5 0 年代末开始研制、使用机械控制缠绕机和对f w 技 术的研究，主要用于加工军工产品。5 0 年代末、6 0 年代初，美国和德国研制出第二代缠 绕机一程序控制缠绕机，采用机械凸轮程序控制，可完成非线性缠绕，使用灵活，操作 简便，满足一些特殊产品的生产。但仿形凸轮的设计和安装调试需要较长时间，对复杂 产品生产仍受限制。6 0 年代末、7 0 年代初出现了小型通用计算机数字控制( c n c ) 的第三 代缠绕机。其控制功能依靠事先存放在存储器中的程序来完成的。改变程序控制可适应 不同制品的缠绕，大大增加了设备的灵活性和适应性。7 0 年代初，随着廉价处理器和微 型计算机的出现，使微型机的c n c ( e n c ) 与缠绕机相结合出现了第四代缠绕机一微机控制 缠绕机( m c f w ) 它使缠绕机的性能发生了根本性的变化，缠绕功能更加完善，实现了多轴 缠绕运动控制，线型精度和重复精度高，代表当前世界的先进水平。我国自行研制了机 械式缠绕机、数控缠绕机、微机控制缠绕机等自动化程度很高的大型缠绕机。目前，我 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 国己研制出五轴微机控制缠绕机并用于工业生产。 1 4 柱状建筑物补强纤维缠绕机的提出 由于上面所介绍的柱状建筑物纤维补强施工的步骤方法和理论计算的结果，所以在 施工的过程中必须要保证各种施工工艺和各种施工参数能达到理论的要求。但是传统的 纤维柱状建筑物缠绕补强过程是利用人工搭建脚手架，设置架板，工人在脚手架上进行 手工缠绕。在缠绕的过程中，工人在架板上工作，这样既不能保证缠绕过程中纤维丝或 纤维布的补强理论计算的张紧力、补强厚度也不均匀，不能达到预期的补强效果；同时 在施工的过程中工人在脚手架上进行相应的工作，也不能保证工人在架板上行走活动的 安全：而且，传统的人工缠绕补强技术的劳动强度比较大，效率较低，不算搭建脚手架 的工人就要3 4 a ，再算上搭建脚手架的工人，就需要更多的工人合作。 况且在技术高速发展的今天，一切工程技术都有标准化的趋势这种新兴起的纤维 缠绕补强技术也不例外，其施工和检测要想与世界接轨，也有必要使我们的施工过程标 准化，这样才能有统一的比较标准。但是依靠传统的人工缠绕方式不容易实现标准化， 同时也难以保证施工能达到补强的理论要求。 如果在以后的补强修复过程中，使用传统的人工缠绕的方法，显然不能满足工程施 工的需要，而且由于人工缠绕补强方法不能保证补强的效果，所以就需要寻找一种使用 方便的机械机构来代替人工缠绕，从而一方面把工人从繁重的操作中解放出来，另一方 面也保证了施工过程中的可控性，从而也保证了施工质量。 虽然当前纤维缠绕成型机的研究已经达到了相当高的水平，但是这种缠绕成型机并 不适用于纤维补强的工程施工，本文正是基于纤维补强方法的先进性和对其施工设备的 需求和当前纤维缠绕成型机的发展趋势，提出了补强纤维缠绕设备的概念，此处补强纤 维缠绕设备的设计研究正是基于前面介绍的缠绕成型机的思想，利用简单的机构运动来 实现纤维的缠绕运动，以此来实现补强缠绕工程所要求的纤维缠绕，减少工人的劳动量 的，确保工人在施工过程中的人身安全的目的。 从理论上来讲使用机械的缠绕设备能够使纤维的缠绕过程实现自动化，使缠绕的纤 维速度、厚度均匀，在缠绕的过程中纤维的张力能达到理论的计算要求，并且便于控制。 而且在施工的过程中，使用机械的升降机构能够实现施工平台的连续升降，避免了在同 一工程的不同高度施工时的脚手架的重新搭建过程。另外，从美国桥梁补强试验的结果 显示表明，使用缠绕机构可以大大的提高施工速度，而且从试验的数据显示，使用缠绕 机构进行补强修复后的各种测量数据都较手工缠绕优良。 大连理工大学硕士学位论文 综合我国桥梁的现状，随着桥梁缠绕补强技术的应用，对这种缠绕设备的需求会日 渐迫切，有以上统计资料显示，对于我们国家的当代的桥梁情况大部分需要补强修复的 情况下，这种缠绕机构的市场前景还是比较广阔的。再加上使用这种机构，工人可以坐 ( 或立于) 在操作台上进行相关的操作或者监视机构运动的工作，减轻了劳动量，确保 了工作人员的人身安全，符合人性化的设计思想，所以应该能取得很大的成功。 1 5 本文的研究内容 本文以柱状建筑物补强纤维缠绕机为研究对象，以机械设计理论为指导，利用工程 设计和分析软件为工具，对纤维补强缠绕机的结构设计进行总体规划，并对相应的主要 部件进行设计计算，然后利用工程软件对系统进行了实体建模、虚拟装配和运动仿真以 及对主要部件进行有限元分析等工作。本文的主要研究内容如下： 一、阐述虚拟设计的含义和与本课题相关的纤维补强和纤维缠绕机的知识，论述了 课题研究的背景，从整体上对纤维补强缠绕机进行功能确定和分析，进行工艺动作的分 解，然后针对每个部分运动的运动分析和设计需要，提出相关的运动机构模型。 二、针对主要部件进行设计计算，确定主要部件的几何尺寸。利用工程设计软件， 对各个结构进行实体建模，使读者对所设计的结构有比较直观的认识，并对主要运动结 构进行虚拟装配和运动仿真，检查零部件装配和运动的可行性。 三、利用工程分析软件对设计的主要零部件进行有限元分析，分析主要零部件在工 作受力状态下的应力和应变情况，从理论上验证设计的可行性。 四、介绍张力控制系统的组成，提出纤维缠绕过程中的张力控制系统的总体模型。 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念致计 2 总体概念设计 2 1 功能分析和工艺动作分解 通过对纤维补强过程的分析，可以把纤维补强缠绕过程简化为图2 i 所示，从简化 图中可以看出纤维锭跟待补强的柱状建筑物之间的运动位置关系。 ( a ) v 0 玎璀且 线轨迹 _ l 纛锭 i 柱 状 建 【 筑 物 图2 i 补强工作过程 f i g 2 1p r o c e s so f t h er e i n f o r c e 从上面的补强纤维缠绕枕工作状态图( a ) 可以看出，要想实现纤维在柱状建筑物上的 缠绕过程，纤维锭必须围绕着柱状建筑物作环绕运动，但是只有一个环绕运动只能保证 纤维锭的缠绕运动，要实现纤维缠绕过程中的密排运动，还需要一个直线的进给运动如 上图( b ) 中v i 所示，否则，纤维补强材料只能在原高度位置作环绕运动，达不到纤维密 排的效果。 通过功能分析和工艺动作的分解，我们可以确定本课题所要进行的结构部分设计， 在设计过程中把整个设备的设计分成三个模块： 1 实现环绕运动功能的模块，可以称之为机座部分，这一部分的作用是为整个机器 提供一个运动平台，为其他功能模块提供运动支撑：同时为了驱动纤维锭作环绕运动， 机座还应该能够提供环绕运动的驱动力。 2 纤维锭升降运动模块，这部分模块称之为纤维锭升降运动模块，此部分的作用是 在纤维缠绕工作过程中，为纤维锭提供一个沿柱状建筑物中心线直线进给的升降运动， 以便实现纤维缠绕过程中的密排工作。 大连理工大学硕士学位论文 3 张力控制系统模块，这部分功能是为纤维锭提供一个载物平台，并且实现纤维缠 绕过程中的预紧力控制，以便保证纤维缠绕补强的效果。 2 2 设备结构设计 2 2 1 机座的结构设计 前面已有介绍，机座的作用主要是为整个设备提供一个支撑、为纤维的环绕运动提 供驱动力，所以在机座的结构设计中要考虑的是如何能满足这两个功能。由于需要修复 的建筑物呈柱状结构，其截面为圆形或多边形，在机座的构思上，要实现纤维在建筑物 上的缠绕，其纤维锭应该能够围绕建筑物作环绕运动，为此，把机座设计成圆形结构。 纤维的缠绕运动可以分为两个方向的运动，环绕运动和直线运动，而环绕运动要在 机座上实现，所以在机座的结构设计方面还要考虑的是纤维锭作环绕运动的轨道问题， 在纤维的缠绕过程中，要保证补强的效果，需要施加一定的预紧力，所以机械设备在运 作过程中也要受到一定的反作用力。此反作用力通过机构模块被传递到机座上，所以在 设计过程中，也要考虑受力平衡的问题。 针对上述设计过程中要考虑的问题，机座的结构构思被划分为三个部分，第一部分 是导轨结构的设计，主要为环绕运动提供运动路线。第二部分为导轨车的设计，这部分 为环绕运动提供了运动的可能，并且为纤维直线进给运动模块提供了固定基点。第三部 分为环绕运动动力传动的设计，此部分为环绕运动提供驱动力，实现纤维的环绕运动。 ( 1 ) 运动导轨的设计 针对运动导轨的设计有下面两种结构构思。 第一种结构是从火车导轨演化得到的结构，其截面图如图2 2 所示。 l 川门 l 肾导轨刹l 基底 图2 2 轨道结构l f i g 2 2o r b i ts 廿u c t u r e1 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 上图所示的是导轨的截面图，实际的机座是环状结构，导轨是跟基底固联在一起的， 也是环形的导轨，导轨轮就可以在环形的轨道上运动，实现纤维的环绕运动，从图2 2 可以看出，导轨是开口的箱体结构，导轨轮在此结构中运动时，导轨可以提供一个上下 方向的约束，也就是说可以对导轨轮提供一个上下方向的作用力，导轨轮安装在后面设 计的导轨车上，这个作用力就通过导轨车和径向进给运动模块传递到纤维张力控制系统 模块，抵消纤维缠绕过程中预紧力对升降系统结构的倾覆力作用。 上图所示是导轨的一种结构模型，第二种结构模型是从翻滚过山车导轨模型演化得 到的，其结构截面图如图2 3 所示 图2 3 轨道结构2 f i g 2 3o r b i ts t r u c t u r e2 跟第一种设计构思一样，此导轨也是环形结构，导轨跟基底固联，导轨轮可以在环 形的导轨上作环形运动，实现纤维缠绕过程中的环绕运动，由于在导轨的上下侧都安装 有导轨轮，所以在运动过程中，导轨可以对导轨轮施加作用力，从而通过导轨车和纤维 缠绕直线升降结构传递到张力控制结构，抵消纤维缠绕过程中预紧力对升降系统结构的 倾覆力作用。 两种结构构思都能达到预定的设计目的，各有优缺点，第一种结构设计制造比较容 易，对于导轨可以选用相应的型钢材料，导轨轮的结构也比较规则，加工比较容易，也 为以后的动力设计提供了方便；第二种结构设计比第一种节省材料，但是其导轨和导轨 轮的结构形状相对复杂，为制造加工带来不便，而且这种结构在后续的动力设计中没有 第一种方便，在此选择第一种设计方案。 佗) 导轨车的设计 大连理工大学硕士学位论文 导轨车的设计在本设备中起到了很重要的作用，不单要实现跟导轨的运动连接，而 且要为纤维的径向进给结构模块提供固定平台，同时也要为环绕运动的动力驱动装置提 供安装固定的位置，以实现环绕运动动力驱动的实现。 导轨车采用板材结构，在其上安装固定导轨轮，以实现在固定导轨上的运动，由于 运动导轨的设计采用了第一种结构方式，其相应的导轨车结构设计如下图2 4 所示。 空间结构如图所示。 图2 4 导轨车的结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo f t h em i l c a r 图2 5 导轨车的3 d 结构 f i g 2 5t h e3 ds t r u c t u r eo f t h em i l e a r 在上面所示模型图中，成对使用了导轨轮，这样可以避免使用一个导轨轮在导轨中 运动时对导轨产生摩擦；在导轨轮和车架的连接部位，即是图2 4 中a 所示部位，采用 轴连接，可以方便在安装过程中对导轨轮进行小角度的调整，以适应轨道半径的变化， 不至于在运动过程中发生硬性干涉而产生额外的应力。 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 ( 3 ) 环绕运动动力传动的设计 机械传动方式种类繁多，如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等【1 2 1 。综合分析 上面几种传动方式，要实现一种装置围绕固定物体的环绕运动，采用齿轮传动中的齿轮 齿圈传动比较容易实现这种运动的。齿轮齿圈的传动方式在很多的机械装置场合都有广 泛的应用，比如起重机的底盘、挖掘机的底盘都采用了这样的传动装置。在机座的传动 过程中也采用这种传动方式来实现环绕运动，在底座上面固定一大齿圈，在导轨车上安 装一个小齿轮跟齿圈啮合，利用固定在导轨车上的动力装置，带动小齿轮跟大齿圈的相 互啮合运动，由于大齿圈固定在基底上，所以在齿轮齿圈相互啮合的过程中，小齿轮就 驱动了导轨车在导轨上的运动。 其结构模型如图2 6 所示，图( a ) 表示结构的俯视图，图( b ) 表示结构的前视图。 小 图2 6 环绕传动结构 f i g 2 6t r a n s m i s s i o ns 仃u c t u r eo f t h ec i r c l em o v e m e n t ( b ) 2 2 2 直线进给升降系统的设计 直线进给升降系统主要是为纤维缠绕过程提供一个沿补强建筑物轴心方向的直线 的运动，并且按照设定的速度实现直线进给运动，以实现纤维缠绕的密排缠绕。 实现直线运动的机构类型比较多，机械传动系中的齿轮齿条传动结构、卷扬机构、 液压升降机构和螺旋传动机构都可以实现这种运动。这几种传动结构各有优缺点，都能 实现本文中对直线进给升降系统的功能要求，在升降系统模块设计中，为了有所选择和 比较，本文给出了下面几种结构方案设计。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 齿轮齿条结构 图2 7 齿轮齿条结构模型图 f i g 2 7g e a ra n dr a c ks t r u c t u r em o d e l 利用齿轮齿条实现升降运动的结构图如上图2 7 所示，齿轮齿条结构的工作原理和 齿轮啮合原理相同，在上图中齿条是跟导轨车固联在一起的，齿轮被固定在载物台上， 载物台是用来固定张力控制系统的平台，在图中，设计了滑动导轨跟机座导轨车固联， 在载物台上安装了滑动滑块，滑动滑块在滑动导轨上运动，保证了载物台的运动的方向 性。在上面装置中，随着齿轮齿条的啮合，齿轮要沿着齿条的做直线运动，同时也带动 了跟它固联的载物台的运动。 这种装置能够实现直线升降运动的功能，但是上图所示的载物台在运动的过程中是 要受到张力控制装置和操作工人的重量的载荷的，丽上图所示齿轮齿条运动机构在其运 动方向上承受载荷的能力不足，而且在运动过程中，如果要在某个工作时刻暂停，还要 设计额外的安全装置，保证运动机构能停留在固定的位置。 同时，由于这种结构的高度是固定不变的，在适应不同的施工环境高度方面也存在 一定的不足，为此设计了下面的卷扬机结构。 ( 2 ) 卷扬桃结构 卷扬机主要由电动机通过变速箱带动卷筒旋转，卷筒通过卷绕绳索来拖动结构件的 运动，因为卷扬机转速不高，转动平稳、可靠、扭矩大的特点，所以这种传动装置在很 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 多场合都得到了广泛的使用，在本文的机构构思中，开始也是采用了这种传动方案的设 计，其结构如图2 8 所示。 图2 8 卷扬机结构模型 f i g 2 8w i n d l a s ss t r u c t u r em o d e l 上图中，卷扬机的卷筒，固定在机座导轨车框架上，其钢索通过支架上面固定的定 滑轮跟固定张力控制装置的载物台连接，通过卷扬机卷筒对钢索的收放实现对载物台升 降运动的驱动，跟齿轮齿条结构设计一样，在上面结构图中也设计了滑动导轨来对载物 台进行导向。 这种结构设计也能实现本机构模块的升降运动，也克服了齿轮齿条结构在升降方向 上负载的问题，但是同齿轮齿条设计方案一样，这种结构的高度也是固定的，不能根据 具体的施工高度进行调节。 上面设计的两种结构虽然都能满足升降运动的功能需要，但是由于其存在共同的缺 点：在施工过程中，其施工高度不能根据实际情况进行调节，所以本文又构思设计了下 面的结构方案。 ( 3 ) 液压螺旋升降结构 由于本设备在施工过程中，其需要补强修复的上下空间没有固定的规律，上面所示 单纯的利用一种传动的设计方案不能根据具体的补强环境进行高度上的调节，所以在本 文中采用了液压升降机构和螺旋传动机构进行相结合的方式，液压升降结构可以根据不 大连理工大学硕士学位论文 同的施工高度对纤维缠绕位置进行大致的定位，而螺旋传动结构则可以提供比较精确的 传动比，便于调节直线进给速度，而且螺旋传动还有自锁的优点，可以在工作的任意时 刻停机而实现自锁，不用专门设计安全自锁装置。 本文采用的直线进给升降系统的结构如图2 9 所示，螺旋升降传动结构固定在液压 升降系统上，螺旋传动的螺旋杆固定，螺旋传动的螺母在螺杆的旋绕过程中上升或下降， 跟螺母固联的张力控制系统装载着纤维锭就实现了直线进给运动。 图2 9 升降进给结构 f i g 2 9s t r u c l u r eo f t h el i f ts y s t e m 整个升降系统固装在导轨车上，在跟随着导轨小车作环绕运动的同时，螺旋升降系 统依据所设定的进给速度作上升或下降运动，这样，纤维锭在张力控制系统的作用下， 就保证了两个运动一环绕运动和直线迸给运动的实现，从而实现了纤维的密排缠绕。 2 2 3 螺旋升降系统的设计 在直线进给升降系统设计中使用了螺旋传动的方式来实现纤维的直线进给运动，在 此系统结构中，不单要实现纤维的直线进给运动，还要给张力控制系统提供固定平台， 而且在施工过程中受到空间的限制，螺旋升降系统不可能有较大的运动空间，综合考虑 这些因素，所以在螺旋升降系统的设计中，采取固定螺杆，使螺母作为运动部件，在螺 杆旋绕的过程中，螺母沿着螺杆作轴向运动。同时，螺母和张力控制系统的固定平台固 联在一起，随着螺母的运动，带动了张力控制系统固定平台的运动。 杨绪光：柱状建筑物纤维补强缠绕机的概念设计 在螺旋升降系统结构中，为了约束螺母在螺杆上圆周方向的运动，采用了滑动导轨 的结构，一方面起到了导向的作用，另一方面也增强了整个系统的强度和刚度。 本文采用的螺旋升降系统结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 螺旋机构图 f i g 2 1 0s t r u c t u r eo f t h es c r e ws y s t e m 2 3 整体控制系统结构 上面简要介绍了纤维补强缠绕机的功能和结构组成情况，但是单单的一些机械结构 组合在一起，就和没有操作系统的计算机一样，只是一台裸机，还是不能实现纤维缠绕 的功能，所以只有和控制系统结合起来以后，才能实现这种设备的功能。在本文中对系 统的控制，可以使用工业控制机和位置传感器等元件相结合来实现其自动控制和安全运 行的需要。 工业控制机是2 0 世纪6 0 年代末，随着计算机的发展而发展起来的一种新型工业通 用控制器 1 3 1 。具有性价比高、抗干扰能力强、能适应恶劣的工作环境、主机升级方便等 特点，以满足