基于有限元对印刷机滚筒的仿真分析

李乾

摘要： 印刷滚筒是整个印刷机的核心关键部件，其扰度变形量和动态性将直接影响印刷装置运动的平稳性及印刷质量，本论文首先推导印刷滚筒理论公式，然后基于有限元ANSYS Workbench对已经用proe建立的模型，进行静力学和模态分析，找出滚筒壁厚跟扰度的关系及滚筒壁厚、滚筒侧壁厚对滚筒的动态性能的影响。

Abstract： The printing cylinder is the key part of the whole printing machine， and the degree of flexibility and the dynamic property of the printing press will directly affect the stability of the printing device and the printing quality. This paper presents the printing roller stiffness formula and finite element based on ANSYS Workbench has been established using proe model for static and modal analysis， and finds out the relationship between the effect of drum wall thickness with immunity thickness and thickness on the drum dynamic performance.

关键词： 滚筒；壁厚；扰度

Key words： rotary drum；drum wall thickness；flexibility

中图分类号：TS803.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0145-02

1 印刷滚筒刚度理论分析

查阅《机械设计手册》：材料为HT300，弹性模量为E=2×1011Pa，泊松比？酌=0.27，密度？籽=7250kg/m3 。所谓建立仿真环境就是根据实际添加边界约束和施加等效力[4]在实际生产印刷过程中，印版滚筒所受的压力对整个印刷有很重要的的影响，一般印版滚筒与橡皮滚筒间的压力在30-70N/cm2范围内变化[5]。

2 滚筒的静力学分析

根据静力学分析可以得到当印版滚筒与包橡胶滚筒压合的时候，由于压力分布不均匀，在两端区域存在应力集中区域，在压力作用下，应力会沿着滚筒周向傳播逐渐减少，这样，在实际中造成滚筒的变形。从图2滚筒的挠度变形图，看到最大的挠度103um，小于印刷滚筒的许用扰度[6]。出从表1可以看出挠度随着滚筒壁厚的增加而减小。但是考虑到制造成本和设计要求，在满足设计要求下，尽量选择滚筒壁薄些。

分析总结：根据图2、表1，印刷机印版滚筒受到印刷压力时，印版滚筒弯曲变形，中间变形最大，并逐渐向印版滚筒安装轴承处减小，这样会造成印版滚筒中间部分挠度最大，相应的印刷压力最小，整个印版滚筒的印刷压力分布将不再均匀，印版滚筒与印版滚筒安装轴接触处应力值会最大。

3 压印滚筒的模态分析

随着印刷技术的不断发展，企业都在追逐高质量、高效率、高可靠性的设备，而印刷滚筒是整个印刷机的核心关键部件，发展趋势为轻量化，其动态性能和结构如果存在滚筒质量分布不均、中间部分压印力小、两端压应力大、滚筒在长度方向上发生挠曲变形等问题将对印刷工件特性会造成很大的影响，本部分将滚筒模型导入有限元分析软件ANSYS workbench14.0，进行模态分析。通过前部分叙述可以得知，在对滚筒进行模态分析时候，只考虑滚筒自重的作用[7]。因为滚筒安装轴通过滑动轴承装配在墙板孔内，可以将其简化为简支梁进行完全约束。利用软件智能自动给印版滚筒划分网格，精度设为：Smart Size 8。结合模态分析理论与印刷机印版滚筒的特点，低阶固有振型频率相对于高阶来说对印刷机印版滚筒造成的振动影响会更大，前者决定了印刷机滚筒的动态特性，故设置模态提前数为6进行分析计算，边界约束是与轴承配合的轴端距离。不再滚筒上施加载荷。

4 分析总结

通过仿真结果可以看出图形：印版滚筒在前1～3的固有频率下，振型主要是以中间梁的弯曲变形为主，其中壁厚为10mm的印版滚筒的一阶振型模态固有频率为39.688Hz，振型为中间弯曲，对应滚筒临界转速98540rpm[8]而本非标印刷机的最高印刷速度为4800张/小时，远低于临界转速，不会产生共振现象。后4～6阶是以中间梁和滚筒的弯曲变形为主。改变印刷机滚筒的壁厚或者侧壁厚尺寸，印刷机滚筒的固有振型频率也将改变，改变壁厚或侧壁厚中一个尺寸，其余的都不变，其模型振型频率变化不是很明显。从表2及表3可以看出：在壁厚满足设计要求的扰度下变形下，可以通过适当减小滚筒厚度与侧壁的厚度载一定程度提高固有频率，进而让印刷机印版滚筒的动态性能得到了加强，提高印刷机印刷产品的质量和精度。

参考文献：

[1]陈虹.现代印刷机械原理与设计[M].北京：中国轻工业出版社，2010.

[2]刘琳琳，成刚虎，刘国栋.基于变截面梁积分的印刷滚筒扰曲计算[J].轻工机械，2007（6）：24-26.

[3]张玉秋，张组明.印刷机滚筒刚度可靠性设计[J].北京印刷学院学报，2000，8（1）：10-16.

[4]Home Vidar，Galerkin finite element methods for parabolic problems[M].New York：World publishing corporation，2003：89-102.

[5]冯昌伦.胶印机的调节与使用[M].北京：印刷工业出版社，1999.

[6]唐万有，王文凤.对胶印机刚性滚筒间压力的研究[J].轻工机械，2007（2）：37-40.

[7]杜亚男，印刷机的模态分析[J].包装工程，2011（8）：4.

[8]郭润兰，吴爱梅，康兴民.印刷机滚筒的有限元模态分析[J].中国包装，2009，29（5）：58-61.