龙门缠绕/铺放成型机龙门结构设计与分析

龙门缠绕/铺放成型机龙门结构设计与分析*

张永军，王益轩，李明伦，黄新武，刘玮，开建波

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048)

摘要：设计并建立了三种型式的缠绕/铺放机主结构模型，重点针对一种典型的缠绕/铺放机的龙门结构进行详细设计、有限元建模与分析。通过Pro/E建立龙门结构的三维模型，并导入ANSYS Workbench中，利用Workbench的强大功能分析龙门结构的静态、模态、谐响应及瞬态特性，得到龙门结构的最大等效应力为9.6277 MPa，前5阶固有频率为11.098 Hz、17.548 Hz、23.404 Hz、55.818 Hz、60.614 Hz，动梁的最大瞬态等效应力为19.261 MPa，验证了龙门结构满足设计要求，为后续的研发设计提供有用的参考。

关键词:缠绕/铺放成型机龙门结构设计复合材料谐响应分析瞬态分析

中图分类号：TS 103.133文献标识码：A

基金项目：本文由陕西省教育厅产业化培育项目资助(项目编号：2013JC17)。

作者简介：张永军(1988-)，男，安徽省含山人，西安工程大学硕士研究生，研究方向：大型数控龙门缠绕/铺放成型机虚拟样机研究。

收稿日期：2015-04-07

Design and analysis of winding/placement machine’s gantry structure

ZHANG Yongjun, WANG Yixuan, LI Minglun, HUANG Xinwu, LIU Wei, KAI Jianbo

Abstract:Three types of winding/placement machine are designed and modeled in this paper. For the gantry structure of one typical winding/placement machine, detailed design and finite element modeling and analysis are carried out. The gantry structure is modeled by Pro/E software, and then imported to ANSYS Workbench. The ANSYS Workbench is used to analyze static, modal, harmonic and transient properties of gantry structure. It is acquired that the biggest equivalent stress of gantry structure is 9.6277 MPa, the five modal natural frequencies are 11.098 Hz, 17.548 Hz, 23.404 Hz, 55.818 Hz, 60.614 Hz, and the biggest transient equivalent stress of moving beam is 19.216 MPa. These results demonstrate that the gantry structure meets the design requirements, and provides useful reference for further design and research.

Keywords:filament winding/placement machine; design of gantry structure; composites; harmonic analysis; transient analysis

0引言

复合材料具有质量轻、强度高、模量高、抗疲劳、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、国防等领域。复合材料成型技术是目前国内外研究的核心领域之一，包括喷射成型、纤维缠绕/铺放成型、模压成型、拉挤成型等。纤维缠绕/铺放成型是复合材料成型技术的典型代表，其具有高效、高质量、高可靠性、低成本等特点[1，7]。缠绕/铺放机结构设计的好坏对于复合材料成型的精度及相关性能起到至关重要的作用。缠绕/铺放成型机大体上分为卧式和龙门式两种，卧式的特点是将缠绕/铺放头安装在工作小车上，通过小车的横向及纵向进给来完成对芯模的缠绕/铺放；龙门式的特点是将缠绕/铺放头安装在滑枕上，通过滑枕及龙门结构的上下、左右、前后的进给来实现缠绕/铺放。龙门式由于可实现多自由度运动，因此是缠绕/铺放成型机研发设计的主要参考类型。

1龙门缠绕/铺放机主结构设计及三维建模

1.1整机设计及建模

龙门式缠绕/铺放机通常是由龙门结构、工作台、夹持卡盘装置、滚珠丝杠副、缠绕/铺放系统等组成。其工作原理是将预浸渍纤维束或者带按照龙门结构、缠绕/铺放头的进给以及芯模的旋转所形成的路径缠绕或者铺放到芯模表面上，然后通过固化、脱模，形成制品。

龙门结构以及缠绕/铺放头是龙门式缠绕/铺放机设计的重点。缠绕/铺放头内部结构较为复杂，因篇幅原因只简要介绍，主要有纤维束或带输送装置、导向装置、预紧装置、夹紧装置、剪切装置、加热装置、压实装置、纤维束或带回收装置以及传感定位装置等组成。当纤维束或带由导向装置传送到预紧装置后得到一定的预紧力，然后通过加热装置并加热，最后被缠绕/铺放到芯模表面上并通过压实装置压紧，当传感定位装置探测到芯模的边界后，将信号传给夹紧/剪切装置并在适当的位置将纤维束或带剪断，这样一次完整的缠绕/铺放就形成了；龙门结构在整机当中起到主运动及承载作用。由缠绕/铺放系统所产生的载荷都将会被传递并施加到龙门结构上，同时缠绕/铺放路径主要是通过滚珠丝杠副带动龙门结构作上下、前后、左右运动形成的，细微的调整是通过缠绕/铺放系统的驱动装置实现的。

本文设计了3种龙门缠绕/铺放机的结构(图1、图2、图3)。图1是一种传统的龙门式整机；图2是一种改良的拱型龙门式整机，其在不失自由度的情况下简化了龙门结构，使龙门结构工作时更可靠稳定；图3是一种桥架龙门式整机，其减小了龙门结构的尺寸，但是将龙门结构安装到桥架上对整机的可靠性及稳定性提出了较高要求。

如图1所示，整机由伺服电机及滚珠丝杠副驱动，分别为动梁电机及丝杠副、立柱电机及丝杠副、龙门电机及丝杠副以及芯模驱动电机。当绕丝嘴将纤维固定到芯模的起始处时，芯模开始旋转，每旋转一周龙门电机驱动龙门结构，使绕丝头沿着龙门导轨纵向进给一定的宽度，直到将整个芯模缠满。同时，立柱电机驱动动梁，从而调整绕丝头与芯模之间的距离。

1.工作台；2.芯模；3.铺放头；4.滑枕；5.龙门架；6.滑轨；7.龙门滑座；8.龙门轨道 图2　拱形龙门铺放机 [2]

如图2所示，铺放头固定在滑枕上，滑枕安装在弧形导轨上，驱动装置驱动滑枕沿着导轨运行，即可完成一次铺放，然后龙门电机驱动滚珠丝杠副，带动龙门结构沿着龙门轨道纵向进给一定的宽度，完成第二次铺放直到将整个芯模铺满。同时，铺放头可以按照图示的旋转方向旋转，以便实现不同的铺放路径。

1.工作台；2.立柱；3.横梁；4.铺放头；5.滚珠丝杠副；6.滚动支撑座；7.导轨；8.桥架 图3　桥架龙门铺放机

如图3所示，整机实现纵向铺放，驱动电机驱动滚珠丝杠副，使龙门结构沿着导道纵向移动，从而使铺放头沿着导轨方向对芯模完成一次铺放，一次铺放完成之后，横梁上的驱动电机驱动滚珠丝杠副横向移动一定的宽度，再进行第二次铺放，直到将整个芯模铺满。同时，铺放头可沿着滑枕上下移动且垂直于滑枕平面作±45°旋转，这样可以调整铺放头与芯模之间的距离及弧形曲面的铺放。

1.2龙门结构详细设计及有限元建模

以图1为例，分别在Pro/E中建立龙门结构的三维模型，再导入ANSYS Workbench中进行网格划分并进行静力学及动力学分析，观察所设计的结构是否符合要求。

对于龙门缠绕/铺放机，在设计龙门结构时，最主要的要求是要保证龙门结构的刚度、稳定性及抗振性。因此，通常对横梁及立柱添加适当的筋板，同时要做好防锈及表面处理并消除焊接及铸造应力[3，8，9，10]。

在Pro/E中分别建立龙门结构的动梁、定梁、立柱及相关附属零件模型，再将所建零件模型按照实际约束组装成装配体模型，如图4所示。

三维模型建立好之后，打开ANSYS Workbench，将mesh菜单拖拉至工作界面中，选择A2栏中的Geometry并单击右键，选择Import Geometry—Browse命令，这样就可将所绘制的三维模型导入到DesignModeler几何建模平台中。接下来进行网格划分，网格划分的方法很多，通常有自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠法、多区域划分法；同时还有很多划分技巧及参数设置，这里不再赘述，本文所涉及的网格划分只将单元尺寸设置为0.1 m，其余均采用默认，所划分的网格如图5所示。

图4　龙门结构的三维模型　图5　龙门结构的网格图

2龙门结构的静力学分析

龙门结构是龙门缠绕/铺放机重要部件之一，在工作过程中，由于受到各种载荷的作用，其结构也会发生细小的变化。如果变化过大，将会对整机的工作性能产生较大影响，甚至影响到整机的安全性能及使用寿命。因此，分析龙门结构的强度及刚度显得尤为重要[3，6，8，9，10]。

用ANSYS Workbench做分析时需要对所分析的对象添加材料。本文所分析龙门结构的材料为ZG270-500，其主要参数：密度7 800 kg/m3；弹性模量为205 GPa；泊松比为0.30。材料添加完之后，对龙门结构施加载荷和约束，由于龙门结构始终作匀速运动，因此在做静力学分析时将其视为静止状态，将立柱的底端固定，同时将缠绕/铺放系统对动梁的压力F=5 000 N添加到梁的中间位置，最后进行求解，得到龙门结构的强度和刚度结果。如图6、图7所示。

图6　龙门结构的变形云图　图7　龙门结构的应力云图

ZG270-500的屈服强度为270 MPa，由图7可知，龙门结构的最大等效应力为9.6277 MPa，远低于屈服强度，因此，满足设计要求。最大变形量为0.206 42 mm，符合实际要求。

3龙门结构的模态分析

用ANSYS Workbench对一个产品进行模态分析的目的是求出其固有频率，最终使所设计的产品在外力作用下所产生的外激振力的频率避开固有频率，以免产生共振。将龙门结构两个立柱的底端全固定，整个结构不需要添加任何载荷，通过模态分析，得出龙门结构的固有频率和振型，表1列出了龙门结构的前20阶固有频率，图8和图9分别给出了第5阶和第10阶固有频率的振型图。

表1

龙门结构前20阶固有频率

图8　龙门结构第5阶振型图图9　龙门结构第10阶振型图

由振型图可以看到，立柱的变形量最小，横梁的变形量最大。在不改变结构参数的情况下，应尽量使结构的固有频率避开外激振力频率，如果要提高结构的固有频率，可以通过修改结构的内部布局，如添加筋板之类[3，6，8，9，10]。

4龙门结构的谐响应分析

谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按简谐规律变化的载荷时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下的响应值对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果[3-4]。

首先，求出龙门结构的前20阶频率，其最大自振频率为214.41 Hz，根据实际情况设定谐响应最大频段140 Hz；其次，在动梁的中间位置输入y方向的载荷3 000 N，输入相位角0°；最后将立柱的两个底端固定并求解。图10(a，b)、图11(a，b)分别为y方向变形频率响应及其对应的相位角、应力频率响应及其对应的相位角[8-10]。

图10

图11

由变形频率响应和应力频率响应可知，在频率11 Hz、55 Hz、60 Hz、80 Hz、100 Hz、117 Hz、127 Hz、137 Hz附近处出现了峰值，说明整个龙门结构在该处产生了共振且应力值最大，因此，外激励频率一定要避开这些频率。

5龙门结构的瞬态分析

瞬态动力学分析的目的是确定结构在受到任意随时间变化的载荷的作用下系统的响应。在某些情况下，尽管结构所受到的瞬态激励时间很短，但振动幅度却很大，会使结构产生短时间的过应力现象，有较大的破坏力，因此对这类瞬态振动的分析十分必要[5]。

图12　动梁结构的网格图

本文着重对龙门结构的动梁进行瞬态分析，选择ANSYS Workbench中的Transient Structural模块，将立柱和定梁都设为刚体，其网格划分如图12所示，添加动梁与导轨的摩擦接触副(摩擦系数设为0.2)、动梁与导轨的移动副以及立柱底端的固定约束副，给动梁与导轨所产生的两个移动副分别设定一个瞬态速度0.1 m/s，持续时间设为1s，分析求解得到1s内动梁的等效应力及加速度随时间的变化曲线图以及在最大值所对应的时间点动梁的等效应力及加速度变化云图。如图13-图16。

由图13可知，动梁在0.01 s时的等效应力值最大且由图14可知，最大应力值集中在动梁与导轨的接触附近，因此要观察其最大应力不能超过材料的屈服应力。由图14可知，动梁的瞬间最大等效应力为19.261 MPa，远低于梁的屈服强度270 MPa，因此，满足设计要求。

6结束语

通过龙门结构静态分析可知，龙门结构最大静力变形0.206 42 mm、最大等效应力9.627 7 MPa，满足设计要求；通过模态及谐响应分析可知，龙门结构在其固有频率处产生了峰值，因此龙门结构在工作时要避开其固有频率，以免产生共振；由瞬态分析可知，龙门结构在工作过程中难免会发生瞬态冲击，瞬态激励过大往往会破坏结构的性能，文中分析了动梁的瞬态特性，得到其最大瞬态等效应力为19.261 MPa，满足设计要求。

本文利用ANSYS Workbench对龙门缠绕/铺放机的龙门结构的静态、模态、谐响应、瞬态进行了分析，为龙门缠绕/铺放机的后续优化设计提供了支撑，同时也为同类产品的设计开发提供参考。

参考文献

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王益轩(1957-)，男，陕西省乾县人，西安工程大学教授，硕士研究生导师，主要从事新型织机的系列化、标准化CAD/CAE/CAM系统研究；大型数控龙门铣床的虚拟样机研究；大型汽轮发电机定子、转子结构系统的虚拟样机研究等。