基于ADAMS的包装机横封传动机构刚柔耦合分析

2017-10-20张晓春

滁州职业技术学院学报 2017年3期

关键词：转轴活塞杆拉杆

张晓春

（铜陵职业技术学院机械工程系，安徽铜陵244000）

基于ADAMS的包装机横封传动机构刚柔耦合分析

张晓春

（铜陵职业技术学院机械工程系，安徽铜陵244000）

横封传动机构是自动包装机的重要部件，它的性能对包装质量影响较大。本文通过建立V FP500型包装机横封机构的力学模型，然后基于H Y PERM ESH、A N SY S和A D A M S对各传动件进行刚柔耦合分析，验证传动件强度在封装的过程中是否满足要求，根据分析的结果为进一步优化提供参考。

自动包装机；横封机构；力学模型；刚柔耦合

一、引言

自动包装机是指应用机器实现产品的全部或者部分包装的机器，这些包装过程可能涵盖自动称重与计量、填充材料、制造包装袋、封装合拢、切断、运输、打印产品的批号、增加拆封切口、无料示警等全部或部分过程[1]。

横封机构主要作用是对包装材料进行横向封口及将相连的包装材料横向切断，在包装设备中，横向封口是至关重要的，横向封口质量的好坏将影响被包装商品的存储时间、包装美观度及流通方式。所以说横向封口的传动机构是设计者设计时考虑的重要部件，笔者通过对横封机构传动件进行刚柔耦合分析，掌握其力学性能，并对设计参数进行优化，提高机器部件的工作性能[2]。

二、建立横封机构力学模型

首先要建立横封机构的有限元模型，并进行CB模态计算，然后将模态计算结果保存为模态中性文件MNF，为下一步导入专业分析软件作准备[3]。

横封机构的主要功能是实现横向封装与切断，其构成部件包括长拉杆、短拉杆、驱动臂、驱动轴、摇臂等，结合HYPERMESH于ANSYS的优点，在进行刚柔耦合时选择在HYPERMESH中进行前处理，生成.cdb文件，然后将.cdb文件导入到ANSYS中，利用ANSYS与ADAMS之间能够直接进行数据交换接口，可以直接从ANSYS中生成ADAMS需要的MNF文件[4]。

部分零件的有限元模型数据如下：转轴：节点（NODES）=35613，单元（ELEMS）=31618；活塞杆：节点（NODES）=27617，单元（ELEMS）=23942；短拉杆：节点（NODES）=6594，单元（ELEMS）=23254；驱动臂：节点（NODES）=16554，单元（ELEMS）=13307；

图2.1 转轴有限元模型

图2.2 活塞杆有限元模型

图2.3 短拉杆有限元模型

图2.4 驱动臂有限元模型

在HYPERMESH软件中将零部件离散成若干细小的网格后，就需要设置材料、密度、弹性模型、泊松比等，然后再导出到ANSYS中求解输出MNF文件。将柔性体全部替换之后，刚柔耦合模型性如图2.5所示，其中白色为柔性体。

图2.5 刚柔耦合模型

三、刚柔耦合仿真分析

（一）整个部件的耦合分析

图3.1 变形云图

图3.2 柔性体变形云图

刚柔耦合模型检查完成后，确定不存在冗余约束的前提下运行仿真，将仿真时间设置为4s，步长为0.01步，在仿真的过程中，柔性体会显示变形云图，仿真结束之后，保存仿真的结果文件为Last Run进入后处理，将插件Durability，然后调取结果文件动画，在动画窗口中选择变形显（Deformation），即可看到变形云图。

切换显示方式为应力云图（Von Mises stress)，查看应力分布结果如图3.3所示：可以观察到Von Mises Stress（米塞斯等效应力）最大值为100.33 MPa，最小（米塞斯等效应力）为5.85e-9MPa，接近为 0。

图3.3 横封机构最大应力云图

（二）单个零件的耦合分析

具体查看驱动臂、活塞杆、转轴、长拉杆、与短拉杆的应力变化，选择插件Durability下拉菜单中的Hot Spots table，具体操作如下：在Flex Body中选择changlagan1柔性体，在Analysis中选择仿真结果文件Last Run，点击report即可，就会生成柔性体上各热点（即米塞斯等效应力最大值点，也称最危险点）的应力。

（三）长拉杆刚柔耦合分析（案例）

为了得到某个柔性体上的热点应力变化曲线，在Hot Spots table中选择一个节点，对于长拉杆柔性体上的19186号热点的应力变化曲线，在Analysis中选择仿真结果文件Last Run，接着选择 Flexible Body为 changlagan1，在 Select Node List输入19186，在Stress下选择Von Mises，点击OK即可生成。以下是柔性体长拉杆1在横封机构运动过程中的热点应力表以及最大应力热点曲线图：

图3.4 柔体长拉杆1热点米塞斯等效应力表

图3.5 热点19186米塞斯等效应力曲线图

横封机构在工作的过程中柔性体长拉杆1变形在时时变化，图3.4为柔性体长拉杆1热点应力表，表中各节点应力按照从大到小排列，取应力最大热点19186绘制热点应力曲线图，从图3.5中可以得出，横封机构在不同时刻热点19186的应力会发生变化，在机构运动过程中柔性体长拉杆1会受到最大应力达到9.46MPa左右，在瞬间冲击力与重力的作用，封装过程中会引起长拉杆1柔性体发生抖动，由于阻尼作用消耗系统能量，柔性长拉杆1并没有保持等幅振动，而是作振幅不断衰减的衰减振动，由于驱动加在活塞杆上，所以直到活塞杆上升到最大值停止运动，此时应力降到最小；活塞杆下降的过程同上升过程应力变化类似。当一个工作过程完成后，横封机构处于静止状态，此时系统所受的应力很小并处于稳定状态。

（四）耦合结果分析

从各柔性体变形云图和各柔性体热点应力表格和表格中热点所对应的应力曲线可以得到一些结论，当横封机构开始启动时，各柔性体从静止开始加速运动，柔性体在瞬间冲击力与重力的作用，会引起柔性体发生抖动，由于阻尼作用消耗系统能量，柔性体不会保持等幅振动，而是作振幅不断衰减的衰减振动，由于驱动加在活塞杆上，所以直到活塞杆上升到最大值停止运动，此时应力降到最小；活塞杆下降的过程同上升过程应力变化类似。当工作过程完成后，横封机构处于静止状态，此时系统所受的冲击力很小并处于稳定状态。在柔性体驱动臂、活塞杆、转轴、长拉杆和短拉杆的应力图表中，柔性体长拉杆1所受的最大应力为9.46MPa，柔性体长拉杆2所受的最大应力为5.58MPa，柔性体短拉杆1所受到的最大应力为6.14MPa，柔性体短拉杆2所受到的最大应力为24.57MPa，柔性体活塞杆所受到的最大应力为44.73MPa，柔性体驱动臂所受到的最大应力为35.0046MPa，其中柔性体转轴所受到的应力最大，最大应力为100.334MPa，最大应力热点的具体位置出现在节点56358处和对称的56357处，这两点位于转轴和摆杆铰接点附近。