布铗的热结构耦合ANSYS分析

尹苗苗， 岳晓丽， 王 见， 赵 雯, 张 盛， 胡 韬

(1. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620； 2. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室， 上海 201620；3. 江苏小太阳机械科技有限公司， 江苏 宜兴 214241)

尹苗苗1，2， 岳晓丽1， 王 见1， 赵 雯1, 张 盛3， 胡 韬1

(1. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620； 2. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室， 上海 201620；3. 江苏小太阳机械科技有限公司， 江苏 宜兴 214241)

为解决布铗因夹持效果差导致的失效问题，提高布铗的使用寿命，对布铗的结构形式和材料性能进行研究。分析布铗的工作原理，建立布铗有限元模型，根据布铗的工作情况，确定布铗所受热载荷和约束，利用ANSYS软件，对布铗进行热-结构耦合分析，得出布铗的瞬时温度场分布和应力场分布。对销轴与刀铗不同的轴孔配合方式以及不同的主体材料下的有限元模型仿真，得到布铗的刀刃热变形、刀刃热膨胀量差值、刀刃与底板间隙形状以及轴孔热应力值，分析其对布铗的夹持效果和使用寿命的影响，得出轴孔间隙配合优于过盈配合，并为主体材料的选择、刀刃底面形状的修磨提供参考。

布铗； 热-结构耦合； 温度场； 配合方式

布铗广泛使用在拉幅定型机、丝光机中，起着定型织物和避免织物出现荷叶边、破边的作用[1-2]，因此，布铗结构、质量的好坏对织物有很大的影响[3]。在使用过程中，处于高温、反复拉幅张力的作用，布铗会发生不同程度的变形和磨损。尤其是刀刃与底板缝隙的变形，这不仅不利于咬合织物导致出现脱铗现象、提前报废，还会因为布铗与织物咬合区接触面积小，局部受力大，对织物造成破坏[4]，因此，无论布铗的使用厂家，还是生产厂家，越来越关注布铗工作的可靠性以及使用寿命。

本文以江苏宜兴某机械厂生产的某种型号布铗为研究对象，其工作温度为303～473 K之间，使用过程中承受着织物对其的拉幅张力。布铗的夹持牢度受拉幅力和温度两方面影响，经工厂实验测得，单独将布铗放入加热炉加热，之后对刀刃与底板的缝隙值测量，其数值达10～15 μm，对夹持牢度影响很大，因此，本文从布铗的受热角度考虑，对布铗的热-结构耦合进行分析，探究影响布铗夹持牢度的影响因素。

1 布铗温度场计算模型

1.1 布铗的工作原理

布铗是由结构形状复杂的零件装配而成的，如图1所示。布铗主体1与刀铗6通过销轴2连接，销轴2铆接在主体轴孔内，刀铗6与销轴2间隙配合，可绕销轴自由转动。刀片3铆接在刀铗6上，底板4铆接在主体1上，刀口与底板之间有间隙。当织物进入布铗链时，在开铗盘的推力作用下刀片与底板形成间隙，织物的边部进入刀铗，随后刀铗靠自重落到织物上，咬住织物。随着左、右布铗链之间的距离逐渐增大，织物产生纬向张力，刀刃受到摩擦力，刀铗自锁，刀片咬紧织物，对织物纬向进行牵伸，起到定型织物的作用。

1.2 布铗的受热分析

布铗工作过程中，各点的温度随着时间不断改变，最终达到稳态，属于非稳态热传递过程。布铗内部由于温差发生热传导；布铗与空气之间先后发生自然对流和强制对流。此外，通过电磁波的方式，布铗与环境发生辐射换热。

布铗内部温差引起的热传导遵循傅里定律[5]：

(1)

式中：qn为等温面法线方向的热流密度，W/m2；∂T/∂n为等温面法线方向的温度变化率；λ为导热系数，W/(m·K)。

布铗与空气间发生的对流传热可用牛顿冷却方程来描述：

q=hf(TS-TB)

(2)

式中：hf为对流换热系数，W/(m2·K)，初取值为100W/(m2·K)[6]；TS为固体表面的温度，K；TB为周围流体的温度，K。

辐射换热系数hr，可根据辐射定律[7]描述为

(3)

式中：S为Stefan-Boltzmann常数，大小为5.67×10-8W/(m2·K4)；ξ为材料黑度，大小为0.6；t为布铗初始温度，大小为303K；t∞为工作环境温度，大小为473K。

经计算，辐射换热系数远小于对流换热系数100W/(m2·K)，故热辐射忽略不计。

为简化求解过程，将布铗的工作环境等效为在温度变化的热空气中加热。在0～3h内，空气温度从303K线性增加到473K；3h之后，空气温度保持473K不变。

2 ANSYS建模分析

2.1 单元类型及材料模型

单元类型：Solid164实体单元。

布铗的材料及其物性参数，如表1所示[8]。为比较主体材料线膨胀系数对布铗的影响，表1中包含了2种不同的材料，即主体1和主体2。

2.2 布铗建模及网格划分

由于布铗的几何结构和温度载荷对称，以销轴、刀片、底板的半模型为研究对象，对其进行网格划分，得到规则的网格；对于几何结构复杂的主体和刀铗，进行自由网格划分。布铗网格划分后的模型如图2所示。

2.3 外载荷施加

布铗的销轴与主体、刀体与布铗、底板与主体均采用铆接连接，构件间没有相对运动且接触面紧密相连。ANSYS中的“GLUE”命令可保证模型接触边界存在，因此用“GLUE”命令将铆接的构件结合在一起。刀体底部固定在导轨上，故对其施加Y方向的位置约束；对半模型的对称面施加对称边界条件。考虑布铗的质量，对布铗施加重力加速度约束。用函数编辑器定义 “温度-时间”函数，对布铗所有外表面施加对流载荷，对流换热系数为100 W/(m2·K)，在0～3 h内空气温度从室温303 K线性增长，直至473 K。

表1 布铗各零件材料及其物性参数Tab.1 Materials and physical parameters of stenter clip

3 仿真结果与分析

3.1 布铗温度场与热应力分布

布铗在工作过程中，不断被加热。仿真计算加热5 000 s时，布铗未达到稳态，此时布铗整体的温度场和热应力分布如图3所示。

图3(a)显示，布铗整体温差很小，不到1 K。布铗温度场的微小变化与布铗的几何结构有关。刀铗部分凸面多，与空气接触良好，且厚度较薄，导热快，故刀铗的温度略高；主体部分壁厚，导热慢，导致主体的温度略低，但是整体上，布铗温度分布较均匀。

图3(b)显示，热应力较大的部位出现在刀体与底板接触的直角处，这与模型没倒角有关。因为不同零件的热膨胀系数不同、热膨胀量不同，导致热应力集中在零件的接触部位。两零件间热膨胀系数相差越大，热应力越大。

3.2 刀刃热变形

布铗在温度场作用下，产生热变形。图4示出销轴与刀铗轴孔之间间隙配合(最大间隙等于0.5 mm)和过盈配合(最小过盈等于0)时，刀刃Y方向的位移。节点编号从1到53是刀刃端部到刀刃中间均匀分布的53个节点。

从图4可看出，间隙配合与过盈配合时，刀刃沿Y方向的位移量，方向相反且变化趋势不同。过盈配合下，刀刃形状呈凹形，夹持点在端部，不利于夹持；间隙配合下，刀刃形状呈波浪形，夹持点间距几乎为织物宽度的一半，比过盈配合下夹持效果好。

3.3 刀刃热膨胀量差值

继续对布铗进行加热，直至15 000 s，布铗温度场达到稳态。主体材料相同时，采用过盈和间隙2种不同的轴孔配合方式，刀刃热膨胀量差值如图5所示。

从图5可看出，轴孔配合方式的不同不影响刀刃热膨胀量差值变化趋势。随着时间的增加，刀刃的膨胀量差值不断增大，直至达到稳态。在间隙配合下，刀刃热变形量差值较大。

当主体材料分别选择表1中的主体1和主体2对应的材料时，刀刃端点与中点热膨胀量差值的计算结果如图6所示。虽然主体的线膨胀系数不同，但是刀刃热膨胀量差值变化趋势一致。随着时间的增加，刀刃的热膨胀量差值不断增大，直到12 000 s左右时达到最大，不再改变。主体1的材料是现阶段普遍采用的膨胀系数较大的铝合金材料，大膨胀系数会导致刀片产生大的热膨胀量差值，影响夹持效果。主体2采用膨胀系数相对较小的铸铁材料，计算结果表明，可以减小热膨胀量差值，提高布铗的夹持效果。

3.4 刀刃与底板间隙

在温度场的作用下，刀刃与底板会产生热变形，导致二者之间的间隙改变，影响布铗的夹持效果。主体轴孔与销轴的配合方式不同，会得到不同的间隙形状，如图7所示。

从图7可看出：过盈配合下，刀刃与底板的变形趋势相反，导致刀刃与底板端部之间的间隙小，中间间隙大，不利于夹持，且易导致织物的损伤；间隙配合下，刀刃和底板的变形趋势一致，产生的间隙形状规则，有助于布铗夹持。

3.5 刀铗轴孔热应力

根据机械厂提供的资料得知，布铗失效的方式之一是轴孔磨损严重[9]。在轴孔过盈和间隙2种不同的配合下，得到不同的轴孔热应力分布，如图8所示。

从仿真结果看出：过盈配合下，轴孔的热应力在圆周方向分布均匀；间隙配合下，热应力集中在轴孔接触部分，最大热应力比过盈配合下的热应力小2～3个数量级，减小了轴孔磨损，但铝合金材料常温下，受应力作用产生的蠕变也很明显[10]，此处未考虑蠕变行为，故引起主体轴孔变形的原因还需要进一步讨论。

3.6 销轴热应力

在过盈和间隙2种不同的轴孔配合下，得到不同的轴热应力分布，如图9所示。

从仿真结果看出，过盈配合下，沿着轴线方向，从内部到轴端热应力越来越大。间隙配合下，热应力集中在与主体和刀铗接触的地方，且热应力沿着接触点扩散，整体热应力比过盈配合小，减小了销轴的磨损。

4 结 语

本文通过建立布铗的有限元模型，对布铗整个夹持过程进行热-结构耦合分析。针对不同的轴孔配合方式和不同的主体材料，对布铗进行分析，得到如下结论。

1)不考虑布铗所受拉幅力情况下，温度趋近于稳态时，表面温差很小，热变形主要取决于各零件的结构形式及材料性能。

2)布铗主体部分的结构、轴孔的配合方式对刀刃热变形影响很大，甚至会改变分布趋势。沿着刀刃长度方向的Y方向位移量体现了刀刃与底板接触位置，反映了与织物的接触力的分布状况，决定了布铗的夹持效果。

3)布铗主体部分的材料性能对热膨胀量差值影响很大。采用线膨胀系数小的铸铁替换传统的主体材料铝合金，可减小刀刃热膨胀量差值，有利于布铗的夹持。

4)销轴与孔采用间隙配合，有利于减少布铗主体部分的热变形影响，降低热应力。同时可得到均匀的刀刃和底板间隙，利于布铗的夹持。

5)修磨刀刃底面形状时，要考虑到销轴与孔的配合形式。只考虑受热情况下，过盈配合时刀刃两端的修磨量是间隙配合的2～4倍。

FZXB

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Analysis on hot-structure coupling of stenter clip using ANSYS

YIN Miaomiao1，2， YUE Xiaoli1， WANG Jian1， ZHAO Wen1， ZHANG Sheng3， HU Tao1

(1. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China； 2. Key Lab of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China； 3. Jiangsu Little Sun Machine Technology Co., Ltd., Yixing, Jiangsu 214241, China)

In order to solve invalidation problem of the clip caused by poor clamping and improve the service life of the clip, the clip structure form and material performance were studied. The working principle of clip was analyzed, and clip model was established. The suffered heat load and constraint were determined based on its working conditions. Then by analyzing the heat - structure coupling on the clip with ANSYS software, the transient temperature field and stress field distribution overall clip was obtained. According to the simulation on matching method between shaft and stenter clip and different main body materials, the difference in value between thermal expansion, thermal expansion on the blade, gap shape between blade and baseplate, and thermal stress between shaft and hole were calculated. It is concluded from the analysis on clamping effect and service life that the clearance fit is better than the interfenence fit. The results would provide the reference for the selection of main body′s materials and grinding blade shape.

stenter clip； hot-structure coupling； temperature field； fit mode

10.13475/j.fzxb.20150505206

2015-05-27

2015-12-18

国家支撑计划课题项目(2014BAF06B01)；中央高校基金项目(JD-ST-2014002)

尹苗苗(1993—)，女，硕士生。主要研究方向为机械设计及理论。岳晓丽，通信作者，E-mail：xlyue@dhu.edu.cn。

TS 103.8

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