梁振江,鄧 輝,2,張 杰,王慶濤,錢(qián)曉明,2

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387; 2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387 )

0 引言

從上世紀(jì)90年代到今天，是計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)發(fā)展最成熟的時(shí)期?，F(xiàn)在的CAE技術(shù)已經(jīng)擁有多種算法，并已大量的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等仿真分析。Ansys是一款大型有限元分析軟件系統(tǒng)，是一款非常成功的CAE分析軟件。有限元分析是指將真實(shí)的物理系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)的近似的方法進(jìn)行模擬，將物理結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元[1]，并在每個(gè)單元內(nèi)設(shè)置有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)物理結(jié)構(gòu)看成是只在節(jié)點(diǎn)處相連接而成的集合體，用有限數(shù)量的單元去逼近無(wú)限未知的真實(shí)系統(tǒng)。然后通過(guò)添加約束、施加載荷、設(shè)置邊界條件等對(duì)節(jié)點(diǎn)添加位移模式，并對(duì)節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行求解，來(lái)進(jìn)行仿真模擬，分析實(shí)際過(guò)程。使用仿真軟件模擬針刺過(guò)程中的針板變形，能更直觀、量化的得到變形結(jié)果[2]。

推動(dòng)非織造技術(shù)發(fā)展的因素除了工藝改進(jìn)和設(shè)備進(jìn)步以外，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)也是一個(gè)非常重要的因素。在《紡織機(jī)械行業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)性意見(jiàn)》中列入了非織造機(jī)械項(xiàng)目5項(xiàng)，指出非織造機(jī)械將向模塊化設(shè)備、智能制造、節(jié)能減排、高產(chǎn)寬幅、仿真模擬等方向發(fā)展[3]，其中特別指出，針刺機(jī)發(fā)展需要在＂十三五＂中完成針刺頻率高速化、針刺機(jī)構(gòu)模塊化、針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)高精度化、針刺機(jī)控制系統(tǒng)智能化等關(guān)鍵技術(shù)的突破[4]。

本文主要運(yùn)用Ansys軟件建立不同類(lèi)型的針板模型，通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)，并簡(jiǎn)化針板的實(shí)際情況進(jìn)行有限元仿真，進(jìn)而將量化分析部分關(guān)鍵參數(shù)對(duì)針板的性能影響。

1 針板受力分析及仿真分析

1.1 針板受力分析

在實(shí)際過(guò)程中，針板是隨著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，針板上的刺針的倒鉤帶動(dòng)纖維對(duì)梳理過(guò)的纖維反復(fù)穿刺，得到蓬松且具有一定強(qiáng)力的纖網(wǎng)。將針刺部分(如圖1(a))可簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖1(b))，對(duì)針板的受力進(jìn)行分析。

(a) 針刺機(jī)針刺部分

(b) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

在針刺部分針刺過(guò)程中，是由電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)然后帶動(dòng)主曲軸，主曲軸通過(guò)聯(lián)軸器與其他曲軸相連，曲軸的偏心部分與連桿連接，連桿與針梁連接，針梁上固定著針板，針板上帶著刺針。因此，在曲柄滑塊簡(jiǎn)圖中，曲軸的偏心部分就是曲柄，而滑塊就是針梁和針板部分[5]，經(jīng)過(guò)分析和整理可以得到，針板的加速度為：

(1)

其中，R1表示曲柄的長(zhǎng)度；ω表示曲柄的角速度；α表示曲柄與機(jī)架的夾角；R2表示連桿的長(zhǎng)度。

在本次實(shí)驗(yàn)中，選取了在針刺頻率為1200刺/分鐘，針刺動(dòng)程為20mm下的曲柄滑塊加速度，其中R1=0.02m,R2=0.5m,所選取參數(shù)符合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程和符合實(shí)際運(yùn)算，所以帶入數(shù)據(jù)并整理成了一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)(2)式：

a=32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(2)

動(dòng)力函數(shù)可寫(xiě)成：

F=M×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(3)

其中M表示針板與刺針質(zhì)量。

在針刺過(guò)程中，主要是由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)減速機(jī)等機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳導(dǎo)至針梁針板結(jié)合的滑塊機(jī)構(gòu)，使其上下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)?；瑝K的速度變化并不大，但加速度的方向變化和頻率幅度就很明顯，要在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)多次的進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，所以通過(guò)加速度來(lái)表示動(dòng)力的變化。針板上是帶有刺針的，由動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)針板運(yùn)動(dòng)，所以需要考慮刺針和針板一起的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行動(dòng)力的代入。

針板還會(huì)受到刺針帶來(lái)的一些力，比如針刺力和針刺慣性力。針刺力是在針刺過(guò)程中，纖網(wǎng)通過(guò)針刺部分時(shí)，刺針?lè)磸?fù)穿刺纖網(wǎng)中的纖維，刺針的鉤刺帶著一小束纖維刺入纖網(wǎng)，此時(shí)纖維就會(huì)對(duì)刺針有一個(gè)阻力，這個(gè)阻力會(huì)通過(guò)刺針作用于針板，而針板還會(huì)對(duì)針刺力進(jìn)行一個(gè)反饋，形成一對(duì)作用力與反作用力。雖然單根刺針的質(zhì)量很小，產(chǎn)生的慣性力相比較與其他力很小，但是針板上刺針數(shù)量很多，且刺針隨著針板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，慣性力方向不斷變化。因此，在這次實(shí)驗(yàn)中刺針的慣性力載荷的大小為刺針質(zhì)量與加速度的乘積，根據(jù)植針密度的變化，針板幅寬長(zhǎng)度的變化等，整體的刺針慣性力大小也會(huì)改變。在這次實(shí)驗(yàn)中選用的刺針的質(zhì)量是0.988克，刺針慣性力的方向與動(dòng)力方向相反。刺針慣性力的大小可表示為：

F=m×n×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(4)

其中m=0.988克，n為針板上的總的刺針數(shù)。刺針慣性力作用于針板，針板也將反饋同樣大小、方向相反的力。因此，針板上還需考慮慣性力反饋。

1.2 仿真的模板分類(lèi)

針刺機(jī)的針板種類(lèi)很多，可以根據(jù)材質(zhì)不同、植針密度不同、幅寬不同、布針形式不同等細(xì)分為很多種。為了提高針刺頻率，減小設(shè)備的振動(dòng)，盡量采用輕質(zhì)合金材料來(lái)降低運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量以減小慣性。目前在國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的針板材料有以下三種：

第一種是由鎂鋁合金拉制而成的型材。其特點(diǎn)密度小、強(qiáng)度高、質(zhì)地輕、質(zhì)地均勻，是針板中相比較較好的一種，相對(duì)價(jià)格也較高，一般適用在高速針刺機(jī)上。

第二種是鋁合金。鋁合金針板并不完全是鋁，其實(shí)還是含有少量鎂的，一般用于中、低速針刺機(jī)上。

第三種是環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂的密度大、價(jià)格相對(duì)低，非常適用在低速針刺機(jī)上。

在仿真軟件的材料庫(kù)中，因?yàn)闆](méi)有找到鎂鋁合金，所以在這次實(shí)驗(yàn)中，將針板材質(zhì)分為鎂合金和鋁合金。針板的形變會(huì)改變刺針的位置和刺針刺向纖網(wǎng)的角度，對(duì)刺針的壽命、纖網(wǎng)的質(zhì)量產(chǎn)生影響。針板的應(yīng)力、應(yīng)變會(huì)使針板的部分區(qū)域產(chǎn)生磨損或疲勞，對(duì)針板自身的壽命造成影響。因此，分析應(yīng)力、應(yīng)變和形變量，參數(shù)如表1所示。

表1 鎂合金和鋁合金的部分物理參數(shù)

在仿真軟件中，針板的幅寬和植針密度對(duì)網(wǎng)格化分和計(jì)算時(shí)間成正比。針板越長(zhǎng)，植針密度越大，網(wǎng)格劃分就越多，用的時(shí)間很長(zhǎng)。為了方便數(shù)據(jù)的比較和規(guī)律性，本文采用的幅寬是1.2米、1.5米、1.8米、2.1米和2.4米；設(shè)置的植針密度為2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。

針板上的針孔的排列形式合理性是影響針刺產(chǎn)品表面效果及質(zhì)量最重要的因素之一。布針形式有很多種，為了減少重復(fù)針刺，針刺后的纖網(wǎng)表面的針眼分布均勻，條紋針痕不能太明顯，都要求排列雜亂無(wú)序，也要遵循均布概率。因此，只要保證針板第一列的排列形式無(wú)重復(fù)即可。目前常見(jiàn)的布針形式有燕尾型、雜亂型、波浪型、滿(mǎn)天星型等。為了能夠進(jìn)行對(duì)比，在這次仿真實(shí)驗(yàn)中采用的布針形式為燕尾型和雜亂型兩種。將以上幾種因素組合為針板分類(lèi)，如表2所示。

表2 針板分類(lèi)

2 Ansys Workbench仿真流程

Ansys Workbench可以進(jìn)行靜力分析、諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析。流場(chǎng)分析等很多，采用的是靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是最基本的也是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)分析方法[6]。Ansys Workbench軟件主要包括四個(gè)模塊：Design Modeler模塊，用來(lái)幾何建模，為分析做準(zhǔn)備；Design Simulation模塊，用來(lái)網(wǎng)格劃分和求解與后處理；Design Xplorer模塊，用來(lái)研究所加載載荷對(duì)應(yīng)力、頻率等的影響，進(jìn)行優(yōu)化處理；FE Modeler是將網(wǎng)格劃分后的模型轉(zhuǎn)化成ansys能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)庫(kù)文件。而我們?cè)谑褂脮r(shí)只需要設(shè)置前兩個(gè)模塊即可，前兩個(gè)模塊，我們可細(xì)分為幾何建模、網(wǎng)格劃分、加載求解和結(jié)果后處理[7]。

2.1 幾何建模

Ansys Workbench的幾何模型，可以通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)獲得，一個(gè)是通過(guò)CAD軟件導(dǎo)入，另一個(gè)就是通過(guò)自帶的Design Modeler(DM)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行幾何建模。從外部的CAD軟件導(dǎo)入時(shí)會(huì)有兩種模式，一種是雙向模式，即DM與CAD之間存在關(guān)聯(lián)性；另一種就是只讀模式。導(dǎo)入幾何體時(shí)會(huì)設(shè)置內(nèi)容，包括幾何體的類(lèi)型(實(shí)體、表面、全部)、單位、比例等。而自帶的DM的操作界面其實(shí)也和當(dāng)前流行的三維CAD軟件的相似，操作也相似。它包括兩種形式的建模，一種是常規(guī)的草圖模式加創(chuàng)建幾何體，另一種是概念建模。因?yàn)槟壳暗腄M無(wú)法識(shí)別由CAD導(dǎo)入的線體，所以只能在Ansys Workbench中的DM中通過(guò)概念建模生成線體模型[8]。無(wú)論是導(dǎo)入的模型還是在DM中建立的模型，需要有限元分析的模型必須進(jìn)行布爾運(yùn)算，來(lái)保證復(fù)雜模型的建立和消除模型間空隙。布爾運(yùn)算就是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立實(shí)體進(jìn)行求和、求差等運(yùn)算。

模型建立后需要進(jìn)行材料的設(shè)置，Ansys Workbench中自帶有工程材料庫(kù)，材料庫(kù)中保存了大量的常用材料的屬性，包括物理特性、線彈性、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、超彈性等，也可以自己添加材料，并設(shè)置所需的屬性。為模型設(shè)置材料時(shí)要從流程樹(shù)中選擇，然后在參數(shù)列表中的Assignment中選取所需材料。

2.2 網(wǎng)格劃分

因?yàn)槭怯邢拊治?，建立的模型也是一個(gè)有限元的模型。有限元模型就是將實(shí)體模型數(shù)字化，它會(huì)帶有實(shí)體模型設(shè)置的材料屬性。之前在DM中建的模型還是導(dǎo)入的模型都是實(shí)體模型，網(wǎng)格劃分就是將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，而網(wǎng)格劃分后的模型的好壞程度對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確度是非常直接的，網(wǎng)格劃分是重中之重。

在Ansys Workbench16.0中包含3種類(lèi)型的網(wǎng)格：一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格。一維網(wǎng)格就是一條線連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；二維網(wǎng)格包括三角形單元和四邊形單元，分別連接3個(gè)或6個(gè)節(jié)點(diǎn)與4個(gè)或8個(gè)節(jié)點(diǎn)；三維網(wǎng)格就是四面體單元和六面體單元。網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度可以提高計(jì)算精度，但是單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，所需的計(jì)算時(shí)間和對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求就越高。表3為本次仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木W(wǎng)格劃分單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)。

表3 模型網(wǎng)格劃分后的單元總數(shù)和節(jié)點(diǎn)總數(shù)

2.3 加載求解

加載荷前有一個(gè)分析設(shè)置，分為載荷步控制和求解器控制。載荷步是以Ansys Workbench中定義的時(shí)間和加載方式為基礎(chǔ)的。載荷步控制包括兩個(gè)功能，定義載荷步和設(shè)置每個(gè)載荷步的分析設(shè)置參數(shù)。載荷步就是在要加載荷的模型上需要加幾步載荷，比如載荷步為2，那么先加設(shè)置的第一個(gè)力，這個(gè)力加載后接下來(lái)再加載下一個(gè)力。載荷步控制分為人工時(shí)間步控制和自動(dòng)時(shí)間步控制。人工載荷步控制需要對(duì)每一個(gè)載荷步設(shè)置分析參數(shù)，子步就是載荷步中的載荷逐漸施加到模型上的過(guò)程中進(jìn)行求解的點(diǎn)，結(jié)束時(shí)間就是這個(gè)步終止的時(shí)間。這樣計(jì)算的結(jié)果將是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，時(shí)間可以作為載荷步和載荷子步的跟蹤。從時(shí)間經(jīng)過(guò)來(lái)說(shuō)，載荷步是作用在指定的幾個(gè)時(shí)間內(nèi)的系列載荷，而子步是時(shí)間點(diǎn)，并且用時(shí)間來(lái)跟蹤是更符合自然界發(fā)生的大多數(shù)的現(xiàn)象[1]。

Ansys Workbench中包括2個(gè)求解方法：直接求解法和迭代法。直接求解法可用于FRONT和SPARSE兩個(gè)求解器，迭代法用于JGG求解器。這3個(gè)求解器的選用和自由度條件相關(guān)，一般情況下求解器是自動(dòng)選取的，靜力學(xué)分析選用的是JGG求解器。

2.4 結(jié)果后處理

結(jié)果處理是有限元分析中很關(guān)鍵的一步，對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效的處理可以明白分析模型的響應(yīng)情況。后處理包括：查看結(jié)果、顯示結(jié)果、輸出結(jié)果、收斂狀況等內(nèi)容。查看結(jié)果時(shí)我們可以設(shè)置一些選項(xiàng)，比如顯示等值線，顯示部分模型，光滑的云圖等。在后處理中，用戶(hù)可以指定輸出結(jié)果，一般包括各方向的變形和應(yīng)力、應(yīng)變、接觸輸出等。這些結(jié)果會(huì)通過(guò)云圖、表格、動(dòng)畫(huà)等形式輸出，也可生成報(bào)告。用戶(hù)可以通過(guò)結(jié)果來(lái)分析比較，看是否在誤差范圍內(nèi)，通過(guò)結(jié)果來(lái)判斷是否進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)。

3 仿真結(jié)果及分析

以1200*600*14-2000的針板分析結(jié)果為例。其中圖2為將1200*600*14-2000的燕尾型分布的模型導(dǎo)入仿真軟件后，設(shè)置材料為鎂合金，加載相應(yīng)約束和載荷后，仿真有限元模型分析計(jì)算后得到的形變、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。

(b)應(yīng)力云圖

(c)應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)分析對(duì)比植針密度、針板幅寬、布針形式和針板材質(zhì)這四個(gè)因素對(duì)針板性能的影響，從圖像看不出太大區(qū)別。因此，選取改變的最大值來(lái)制作統(tǒng)計(jì)圖，通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖來(lái)分析比較，更為直觀。

3.1 植針密度對(duì)針板性能的影響結(jié)果及分析

植針密度對(duì)針板的最大形變、應(yīng)力變化和應(yīng)變變化的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

(a)植針密度-形變變化圖(mm)

(b)植針密度-應(yīng)力變化圖(MPa)

(c)植針密度-應(yīng)變變化圖(%)

圖3(a)是在除了植針密度，其他參數(shù)均為相同的條件下得到的形變結(jié)果對(duì)比，比較了幅寬1200mm燕尾型針板的植針密度，分別為2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著植針密度的增加，變形量也增大，且添加了一個(gè)趨勢(shì)線發(fā)現(xiàn)植針密度與形變量幾乎呈線性相關(guān)。針板材質(zhì)為鎂合金的以2000枚/米為基準(zhǔn)，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形變量分別增加了53.9%、118.4%、250.3%，針板材質(zhì)為鋁合金的以2000枚/米為基準(zhǔn)，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形變量分別增加53.8%、130.2%、250.1%，接近呈倍數(shù)增加。還可以從圖中發(fā)現(xiàn)，針板的形變?cè)黾恿吭谥册樏芏容^小時(shí)增加植針密度最大變形量的變化較為平穩(wěn)，但是在植針密度較大時(shí)，在提高植針密度，最大變形量的的變化就相對(duì)急劇增加。因此，在實(shí)際中，針板的植針密度越增加，就需要采取額外的措施來(lái)減小針板的變形量，保證應(yīng)用時(shí)能夠延長(zhǎng)針板、刺針壽命，減小對(duì)纖網(wǎng)質(zhì)量的影響等。

由圖3(b)可知，隨著植針密度的增加，針板的應(yīng)力也在增大，且經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的增加量與植針密度的增大幾乎接近倍數(shù)，植針密度增加幾倍。應(yīng)力也會(huì)增加幾倍。比如，植針密度為6000枚/米與植針密度為3000枚/米相比，植針密度為兩倍，應(yīng)力也約為兩倍， 2000枚/米和4000枚/米也為同理。在實(shí)際中，可以根據(jù)應(yīng)力的這種規(guī)律，在允許的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以按需提高植針密度。而且可以從圖中得到，鋁合金針板與鎂合金針板的最大應(yīng)力值曲線幾乎重合。

由圖3(c)可知，隨著植針密度的增加，應(yīng)變也在增加，以2000枚/米的針板為基準(zhǔn)，計(jì)算植針密度與最大應(yīng)變的增加量的關(guān)系，得出針板材質(zhì)為鎂合金時(shí)，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的針板的應(yīng)變?cè)黾恿糠謩e為52.55%、97.45%、206.00%。同時(shí)計(jì)算得出針板材質(zhì)為鋁合金時(shí)，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的針板的最大應(yīng)變?cè)黾恿糠謩e為49.01%、89.00%、200.49%?？梢园l(fā)現(xiàn)這組數(shù)據(jù)幾乎是呈倍數(shù)增加的，符合線性相關(guān)。

通過(guò)以上植針密度與最大形變量、最大應(yīng)力值、最大應(yīng)變值的比較，可以得出，隨著植針密度的增加，這三個(gè)量也在增加，而且由上一節(jié)的相應(yīng)的圖片也可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)變值和最大應(yīng)力值發(fā)生在氣囊面與針板的相交處，主要是因?yàn)殡S著植針密度的增加，相應(yīng)的針板的針刺力、針刺慣性力也在增加，作用在針孔區(qū)域的力增大，而氣囊面上雖然有針刺力的反饋和針刺慣性力反饋，但是也存在約束，所以導(dǎo)致相交處的應(yīng)變和應(yīng)力最大，并且隨著植針密度的增大，整個(gè)針板更趨近于網(wǎng)狀化結(jié)構(gòu)，其承受載荷的能力減小。在實(shí)際的針板應(yīng)用時(shí)，針板的植針密度的變化對(duì)針板的影響會(huì)更為復(fù)雜，應(yīng)該針對(duì)植針密度的增加導(dǎo)致的針板的性能降低，采取一些措施，來(lái)盡量的減小影響，延長(zhǎng)針板、刺針壽命。

3.2 針板幅寬對(duì)針板性能的影響結(jié)果及分析

針板幅寬對(duì)針板最大形變量、應(yīng)力和應(yīng)變的影響結(jié)果如圖4所示。

(a)針板幅寬-形變變化圖(mm)

(b)針板幅寬-應(yīng)力變化圖(MPa)

(c)針板幅寬-應(yīng)變變化圖(%)

由圖4(a)可知，隨著針板幅寬的增加，最大形變量的變化非常小，鎂合金、鋁合金差值最大的兩個(gè)最大形變量的變化率分別為為1.38%、1.53%，可以認(rèn)為在誤差范圍內(nèi)最大形變量沒(méi)有變化，在仿真實(shí)驗(yàn)中，所選取的最大的針板幅寬僅達(dá)到2.4m，這在目前的實(shí)際應(yīng)用中屬于小幅寬，可能選取的針板幅寬還未達(dá)到能夠引起形變發(fā)生大變化的范圍。出現(xiàn)這種情況，只能說(shuō)明在選取的相對(duì)小的幅寬內(nèi)形變量變化不明顯。

由圖4(b)可知，隨著針板幅寬增加，應(yīng)力值的變化也很平穩(wěn)，而且兩種材質(zhì)下的應(yīng)力變化也接近重合，鎂合金、鋁合金差值最大的兩個(gè)最大形變量的變化率分別為3.74%、6.37%。

由圖4(c)可知，因?yàn)樵O(shè)置的縱坐標(biāo)單位變化很小，能夠明顯看到是有細(xì)微變化的，變化范圍在2um%內(nèi)，針板幅寬的變化在所選取的針板幅寬內(nèi)還沒(méi)有大幅度的變化，計(jì)算得出，鎂、鋁合金針板的最大變形量差最大的分別為5.63%，3.26%。

通過(guò)對(duì)針板幅寬與最大形變量、最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的變化，可以得出，在所選取的2.4米幅寬內(nèi)針板幅寬的變化對(duì)針板性能的影響很小，原因是增加針板的幅寬，并沒(méi)有改變針板對(duì)載荷的承受能力。雖然隨著針板幅寬增加，植針孔也會(huì)增加，載荷也會(huì)增加，但是植針孔的增加沒(méi)有改變植針密度，對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，而載荷增加但平均分?jǐn)傇谙嗤娣e內(nèi)的載荷大小是一樣的，無(wú)法排除所選取的幅寬還沒(méi)有達(dá)到讓針板可以有大的變化的幅寬。

3.3 布針形式對(duì)針板性能的影響結(jié)果及分析

布針形式分為了燕尾型和隨機(jī)型，并且針對(duì)這兩種的布針形式，進(jìn)行了改變植針密度和針板幅寬的比較，選擇的針板材質(zhì)均為鎂合金，不同材質(zhì)和改變布針形式影響如圖5所示。

(a)布針形式-植針密度-形變變化圖(mm)

(b)布針形式-針板幅寬-形變變化圖(mm)

(c)布針形式-植針密度-應(yīng)力變化圖(MPa)

(d)布針形式-針板幅寬-應(yīng)力變化圖(MPa)

(e)布針形式-植針密度-應(yīng)變變化圖(%)

(f)布針形式-針板幅寬-應(yīng)變變化圖(%)

由圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，首先符合之前得出的關(guān)于植針密度與針板最大形變量的結(jié)論，植針密度與最大形變量的變化符合線性相關(guān)，而且可以發(fā)現(xiàn)，這兩種布針形式的最大形變量趨勢(shì)線幾乎重合，布針形式的影響要遠(yuǎn)小于植針密度對(duì)形變的影響。

由圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，改變針板幅寬的規(guī)律也符合之前得出的結(jié)論。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，雖然這兩類(lèi)針板的最大變形量在0.3um之間變化，形變量可以說(shuō)是非常小，從趨勢(shì)線發(fā)現(xiàn)幾乎重合，但是放大可以發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)型的針板的最大形變量要整體小于燕尾型的針板的最大形變量，同時(shí)隨著幅寬的增加，差距也在減小，在實(shí)際中，可以根據(jù)這一規(guī)律來(lái)調(diào)整針板的生產(chǎn)。

從圖5(c)中得出這兩種布針形式的針板隨著植針密度的增加，應(yīng)力也在增加，增加的趨勢(shì)也近似。

從圖5(d)中可以看到，針板幅寬的變化，對(duì)這兩種布針形式的針板最大應(yīng)力變化都是符合之前得出的結(jié)論，影響很小，而隨機(jī)型的針板的最大應(yīng)力值要整體小于燕尾型的針板。

通過(guò)圖5(e)可以得出，這兩種布針形式下，植針密度的增加，應(yīng)變也在增加。同時(shí)也可以看到，在3000枚/米的植針密度以下，隨機(jī)型的最大應(yīng)變值小于燕尾型的，在4000枚/米時(shí)超過(guò)了燕尾型的最大應(yīng)變值，所發(fā)生的變化，在誤差范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)太少，不足以證明其他結(jié)論。

通過(guò)圖5(f)可以得出，在這兩種布針形式下的針板幅寬增加也符合之前的結(jié)論，針板幅寬的增加暫時(shí)還不能引起應(yīng)變的改變，圖中，可以得出隨機(jī)型的針板的應(yīng)變值整體小于應(yīng)力值，但隨著幅寬增加，差距在減小。

通過(guò)對(duì)以上六幅圖的兩種布針形式進(jìn)行比較，首先進(jìn)一步證明了之前得出的關(guān)于植針密度和針板幅寬的結(jié)論，其次也得出這兩種布針形式的差異不是非常明顯，很接近，但是總體上來(lái)講，隨機(jī)型的針板要比燕尾型的相應(yīng)的最大形變值、最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值都要小一點(diǎn)，因?yàn)殡S機(jī)型的植針?lè)植几鼪](méi)有規(guī)律，更接近均勻分布，更接近橫不成橫，縱不成縱，這樣可以相應(yīng)的減小載荷的影響。

3.4 針板材質(zhì)對(duì)針板性能的影響結(jié)果及分析

針板的材質(zhì)只選取了鎂合金和鋁合金進(jìn)行比較。由圖3(a)可知，鋁合金的最大形變量要小于鎂合金的最大形變量，并且隨著植針密度的增加，差值越來(lái)越大，鎂合金的形變量增加更大，而鋁合金較為平穩(wěn)；由圖4(a)可知，鋁合金的最大形變量也小于鎂合金的最大形變量，通過(guò)計(jì)算得出，除了針板材質(zhì)其他條件均一致的情況下，針板幅寬的影響對(duì)兩種材質(zhì)的針板的最大形變量的變化幾乎是平行的，鋁合金的平均最大形變量為鎂合金最大形變量的63.67%；同時(shí)通過(guò)比較圖5(b)得出，布針形式對(duì)針板最大形變量的影響要小于針板材質(zhì)對(duì)針板最大形變量的影響，由此可以得出，鋁合金的針板更不易變形，相對(duì)更加穩(wěn)定。

由圖3(b)和圖4(b)得出，兩種材質(zhì)的針板在植針密度改變，針板幅寬改變時(shí)，最大應(yīng)力值都是非常接近的，幾乎沒(méi)有改變。由此可以得出，在同一種載荷的情況下，鎂合金和鋁合金的針板的最大應(yīng)力值的差異很小。同時(shí)比較圖3(b)和圖5(c)、圖4(b)和圖5(d)這兩組圖，可以得出，布針形式的改變對(duì)最大應(yīng)力值的影響要比針板材質(zhì)的改變對(duì)針板最大應(yīng)力值的影響要大一點(diǎn)。

由圖3(c)可知，鎂合金的針板的最大應(yīng)變值的變化要大于鋁合金則最大應(yīng)變值變化，而且隨著植針密度的增加，鎂合金的針板對(duì)應(yīng)變的敏感度更為明顯，而鋁合金則相對(duì)平穩(wěn)一些，在植針密度改變時(shí)，鋁合金更不易變形。由圖4(c)可以得出，鎂合金的針板的最大應(yīng)變要整體大于鋁合金的最大應(yīng)變，鋁合金的平均最大應(yīng)變值為鎂合金的64.58%。由此得出，鋁合金對(duì)于應(yīng)變更為穩(wěn)定，不易變形，物理性能更優(yōu)。

通過(guò)分別比較圖3(c)和圖5(e)、圖4(c)和圖5(f)可以得出，布針形式的改變對(duì)最大應(yīng)變值的影響要小于針板材質(zhì)的改變對(duì)最大應(yīng)變值的影響。

總結(jié)仿真的針板材質(zhì)對(duì)針板性能的影響，可以得出，鋁合金的針板在形變、應(yīng)力、應(yīng)變的性能方面更為突出，可以使針板更為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過(guò)仿真的方法對(duì)針刺過(guò)程中針板的變形進(jìn)行了分析，從改變幅寬、植針密度、布針形式和針板材質(zhì)四個(gè)方面建立針板模型，得到了21個(gè)模板，通過(guò)仿真后得到的云圖，并對(duì)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)。結(jié)果表明，植針密度的改變對(duì)針板性能的影響較大，因?yàn)橹册樏芏鹊脑黾?，從結(jié)構(gòu)上改變了針板性能，降低了針板對(duì)載荷的承受能力，并且針刺力和針刺慣性力也在增加，所以對(duì)針板性能的影響非常明顯。在增加植針密度時(shí)，應(yīng)該增加額外的手段去增加針板對(duì)載荷的承受能力，加固針板性能，以免帶來(lái)更大的危害。而針板幅寬、針板材質(zhì)和布針形式的改變對(duì)針板性能影響相比較植針密度來(lái)講都不太明顯；針板幅寬增加，植針數(shù)也是成比例的增加，針刺力、針刺慣性力也在增加，但是每平方米的針板承受的平均載荷不變，所以針板幅寬增加時(shí)針板形變、應(yīng)力、應(yīng)變幾乎是不變化的；布針形式只比較了隨機(jī)型和燕尾型的針板，比較發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)型針板的性能稍微優(yōu)于燕尾型，因?yàn)殡S機(jī)型的針板更符合布針的要求，但是在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)根據(jù)所需的纖網(wǎng)來(lái)選擇布針?lè)绞?；針板材質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)鋁合金更為穩(wěn)定，不易變形。