宋 濤，潘 梁，阮 見(jiàn)，瞿書涯，張 波

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

三維機(jī)織物［1］具有織造工藝穩(wěn)定、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、整體性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。三維機(jī)織物的成型包含送經(jīng)、開(kāi)口、引緯、打緯、卷取五大運(yùn)動(dòng)［2，3］，開(kāi)口作為機(jī)織五大運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵一環(huán)，采用提花機(jī)開(kāi)口方式，是實(shí)現(xiàn)三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)變化、自動(dòng)化織造的重要機(jī)構(gòu)。在生產(chǎn)過(guò)程中，提花機(jī)拉刀出現(xiàn)周期性的斷裂現(xiàn)象，如圖1 所示，增加設(shè)備使用和維護(hù)成本，同時(shí)影響生產(chǎn)效率。經(jīng)動(dòng)力學(xué)分析，拉刀的受載小于材料屈服強(qiáng)度，從而推測(cè)拉刀在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，受周期載荷作用發(fā)生應(yīng)力疲勞失效。

圖1 拉刀疲勞失效

通常設(shè)備在周期載荷下的疲勞失效主要有應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞2 種，因疲勞帶來(lái)的性能損失和使用維護(hù)成本提高已越來(lái)越受到關(guān)注［4］。白傳輝［5］等使用多軸疲勞理論分析副車架疲勞破壞問(wèn)題；黃偉［6］等建立輸送帶與滾筒接觸模型，并分別從厚度和內(nèi)撐兩種方式優(yōu)化滾筒疲勞壽命；朱茂桃［7］等通過(guò)循環(huán)系數(shù)修正法，采用nCode預(yù)測(cè)膜片彈簧疲勞壽命。拉刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有曲柄滑塊傳動(dòng)和凸輪傳動(dòng)兩種，本文主要分析曲柄滑塊傳動(dòng)拉刀應(yīng)力疲勞問(wèn)題，首先基于Workbench對(duì)拉刀在工況下的單周期進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，提取拉刀的應(yīng)力歷程，由于拉刀所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，推測(cè)發(fā)生高周應(yīng)力疲勞破壞，之后采用nCode基于累計(jì)損傷理論［8］分析拉刀疲勞壽命，最后采用等截面積優(yōu)化方案，提高拉刀疲勞壽命、織物生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，降低設(shè)備維護(hù)使用成本。

1 拉刀動(dòng)力學(xué)分析

1.1 拉刀受力分析

提花機(jī)拉刀在一對(duì)耦合的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)拉刀在豎直方向的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖2 所示。輸入端由伺服電機(jī)經(jīng)減速器減速后將動(dòng)力傳遞給慣性輪，在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下可以視為勻速運(yùn)動(dòng)。在傳動(dòng)末端，拉刀受綜絲的拉力，在彈簧作用下，載荷呈線性變化。

圖2 拉刀傳動(dòng)原理圖

1.2 基于有限元單周期動(dòng)力學(xué)仿真

以拉刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，拉刀采用鋁合金6061 材料，在曲柄處施加勻速驅(qū)動(dòng)，拉刀受綜絲拉力作用，由于斷裂失效敏感位置靠近拉刀中間處，故在Workbench中仿真計(jì)算拉刀中點(diǎn)的速度、加速度曲線，并提取拉刀應(yīng)力云圖，如圖3 和圖4 所示。

圖3 拉刀中點(diǎn)速度、加速度曲線

圖4 拉刀應(yīng)力云圖

由結(jié)果可知，拉刀在豎直方向運(yùn)行速度平穩(wěn)，沿正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)。但在初始階段，拉刀受到?jīng)_擊載荷作用，加速度發(fā)生波動(dòng)后趨于穩(wěn)定。在一個(gè)運(yùn)行周期中，拉刀受到最大應(yīng)力為37.095 MPa，遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服強(qiáng)度，可見(jiàn)拉刀并非發(fā)生屈服失效，提出猜測(cè)可能因疲勞發(fā)生失效斷裂，需對(duì)拉刀作進(jìn)一步研究。

2 拉刀疲勞壽命分析

2.1 累積損傷模型

為了驗(yàn)證拉刀的疲勞失效形式，通過(guò)損傷對(duì)拉刀的疲勞做出定量的研究，損傷描述的是從材料初期出現(xiàn)微觀上的細(xì)紋到后期出現(xiàn)宏觀的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，拉刀在工況下持續(xù)受循環(huán)載荷作用，任何一個(gè)周期都會(huì)對(duì)拉刀造成損傷，損傷具有累積效應(yīng)，疲勞失效可以看作是拉刀的損傷累積到一定值的過(guò)程。

目前主要的累積損傷理論主要有線性法［9］和指數(shù)法兩種，本文采用線性Miner法對(duì)拉刀進(jìn)行疲勞分析。假設(shè)拉刀的加載應(yīng)力順序依次為σ1、σ2、……σl，對(duì)應(yīng)次數(shù)為n1、n2、……nl，加載應(yīng)力下的壽命為N1、N2、……Nl，那么損傷可以描述為公式（1）：

式中：

D——拉刀的損傷；

ni——對(duì)應(yīng)次數(shù)；

Ni——加載應(yīng)力下的壽命。

那么，可以得到拉刀的疲勞壽命，如公式（2）所示：

式中：

L——拉刀的疲勞壽命。

2.2 拉刀疲勞壽命仿真

本文應(yīng)用有限元法進(jìn)行疲勞分析，定義鋁合金6061 材料的S-N曲線作為疲勞分析的材料屬性，根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真獲取拉刀的載荷-時(shí)間歷程，計(jì)算出載荷激勵(lì)下的應(yīng)力響應(yīng)。根據(jù)求取的載荷-時(shí)間歷程與節(jié)點(diǎn)處的激勵(lì)乘積，經(jīng)疊加后求得整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，如公式（3）所示。將上述條件在nCode中計(jì)算得結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 拉刀疲勞壽命結(jié)果

式中：

σij——疊加后的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)；

l ——載荷數(shù)量；

σij，k——激勵(lì)下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)；

Fk——載荷-時(shí)間歷程。

由結(jié)果可知，拉刀疲勞危險(xiǎn)區(qū)域分布于拉刀安裝位置和中間下端位置，實(shí)際使用時(shí)安裝位置較可靠，未發(fā)生過(guò)斷裂，而中間下端處為疲勞壽命最低點(diǎn)，循環(huán)2.35×107后易在此處發(fā)生疲勞破壞，與拉刀實(shí)際破壞區(qū)域吻合。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，壽命約為1.49 年，與班組的拉刀更換時(shí)間相符。

3 拉刀結(jié)構(gòu)疲勞壽命優(yōu)化

3.1 等面積優(yōu)化方案

為了提高拉刀的疲勞壽命，減少更換零部件造成的宕機(jī)損失，降低設(shè)備的維護(hù)成本，對(duì)拉刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)疲勞壽命結(jié)果云圖可知，拉刀從下端開(kāi)始發(fā)生疲勞破壞，而兩端區(qū)域并未受到影響，綜合拉刀的外形特點(diǎn)、加工成型工藝以及現(xiàn)有設(shè)備的互換性，采用等面積方案對(duì)其優(yōu)化。

拉刀結(jié)構(gòu)可以近似看作為一個(gè)薄壁長(zhǎng)方形，拉刀端面面積為S，增強(qiáng)壽命最低點(diǎn)處剛度，降低應(yīng)力集中。以三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)化拉刀壽命薄弱區(qū)域，保證整體的面積不變，為優(yōu)化準(zhǔn)則，通過(guò)設(shè)計(jì)高h(yuǎn)，避免總體質(zhì)量增加，如圖6 所示。

圖6 等面積優(yōu)化方案

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)等面積優(yōu)化方案，選取一組高度值，作為拉刀備選結(jié)構(gòu)，施加相同的材料屬性、邊界條件以及載荷進(jìn)行仿真計(jì)算，如表1 和圖7、圖8 所示。

表1 等面積優(yōu)化參數(shù)及疲勞壽命

圖7 參數(shù)h拉刀疲勞壽命

圖8 等面積優(yōu)化疲勞曲線

由圖8 可知，隨著h增加拉刀疲勞壽命增加幅度呈二次曲線增加，說(shuō)明等面積優(yōu)化方案能夠有效地提高拉刀的疲勞壽命。然而，參數(shù)h受結(jié)構(gòu)尺寸和成型工藝約束并不能無(wú)限增加，最大值取20 mm，選取此結(jié)果作為最優(yōu)方案，此時(shí)對(duì)應(yīng)的拉刀疲勞壽命為5.092×107次，相較于初始拉刀的壽命增加了一倍。

4 結(jié)論

本文針對(duì)提花機(jī)拉刀在使用過(guò)程中出現(xiàn)周期性的斷裂現(xiàn)象，經(jīng)動(dòng)力學(xué)校核后發(fā)現(xiàn)拉刀最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，根據(jù)拉刀受到的周期性載荷規(guī)律，做出拉刀發(fā)生疲勞斷裂的推測(cè)。通過(guò)nCode疲勞分析，發(fā)現(xiàn)拉刀疲勞破壞部位與斷裂部位相吻合，拉刀壽命也與更換時(shí)間相符，驗(yàn)證推測(cè)有效性。為提高拉刀的使用壽命，提出等面積優(yōu)化方案，并通過(guò)仿真計(jì)算不同高度值的疲勞壽命，得到高度值與疲勞壽命呈二次曲線關(guān)系的規(guī)律。最終選取h=20 mm為優(yōu)化方案，疲勞壽命相較原先提高一倍。

由結(jié)果可知，等面積優(yōu)化方案能夠有效地提高提花機(jī)拉刀的疲勞壽命，避免因定期更換拉刀導(dǎo)致設(shè)備宕機(jī)造成的損失，提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，以及降低設(shè)備在使用過(guò)程中維護(hù)的人力與設(shè)備成本，為立體織物的穩(wěn)定生產(chǎn)與高效制備提供了一種理論支撐。