双侧夹持针板在针刺过程中的力学分析

梁振江,邓 辉,2,张 杰,王庆涛,钱晓明,2

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院,天津 300387; 2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津 300387 )

0 引言

从上世纪90年代到今天，是计算机辅助工程(CAE)技术发展最成熟的时期。现在的CAE技术已经拥有多种算法，并已大量的应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学等仿真分析。Ansys是一款大型有限元分析软件系统，是一款非常成功的CAE分析软件。有限元分析是指将真实的物理系统利用数学的近似的方法进行模拟，将物理结构离散为有限个单元[1]，并在每个单元内设置有限个节点，将整个物理结构看成是只在节点处相连接而成的集合体，用有限数量的单元去逼近无限未知的真实系统。然后通过添加约束、施加载荷、设置边界条件等对节点添加位移模式，并对节点位移进行求解，来进行仿真模拟，分析实际过程。使用仿真软件模拟针刺过程中的针板变形，能更直观、量化的得到变形结果[2]。

推动非织造技术发展的因素除了工艺改进和设备进步以外，结合计算机技术也是一个非常重要的因素。在《纺织机械行业“十三五”发展指导性意见》中列入了非织造机械项目5项，指出非织造机械将向模块化设备、智能制造、节能减排、高产宽幅、仿真模拟等方向发展[3]，其中特别指出，针刺机发展需要在＂十三五＂中完成针刺频率高速化、针刺机构模块化、针刺机构运动高精度化、针刺机控制系统智能化等关键技术的突破[4]。

本文主要运用Ansys软件建立不同类型的针板模型，通过改变相关参数，并简化针板的实际情况进行有限元仿真，进而将量化分析部分关键参数对针板的性能影响。

1 针板受力分析及仿真分析

1.1 针板受力分析

在实际过程中，针板是随着传动机构上下往复运动，针板上的刺针的倒钩带动纤维对梳理过的纤维反复穿刺，得到蓬松且具有一定强力的纤网。将针刺部分(如图1(a))可简化成曲柄滑块机构(如图1(b))，对针板的受力进行分析。

(a) 针刺机针刺部分

(b) 曲柄滑块机构

在针刺部分针刺过程中，是由电动机经过减速机然后带动主曲轴，主曲轴通过联轴器与其他曲轴相连，曲轴的偏心部分与连杆连接，连杆与针梁连接，针梁上固定着针板，针板上带着刺针。因此，在曲柄滑块简图中，曲轴的偏心部分就是曲柄，而滑块就是针梁和针板部分[5]，经过分析和整理可以得到，针板的加速度为：

(1)

其中，R1表示曲柄的长度；ω表示曲柄的角速度；α表示曲柄与机架的夹角；R2表示连杆的长度。

在本次实验中，选取了在针刺频率为1200刺/分钟，针刺动程为20mm下的曲柄滑块加速度，其中R1=0.02m,R2=0.5m,所选取参数符合实际生产过程和符合实际运算，所以带入数据并整理成了一个关于时间的函数(2)式：

a=32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(2)

动力函数可写成：

F=M×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(3)

其中M表示针板与刺针质量。

在针刺过程中，主要是由电动机提供动力，经减速机等机构，将动力传导至针梁针板结合的滑块机构，使其上下平稳运动。滑块的速度变化并不大，但加速度的方向变化和频率幅度就很明显，要在短时间内反复多次的进行上下运动，所以通过加速度来表示动力的变化。针板上是带有刺针的，由动力机构带动针板运动，所以需要考虑刺针和针板一起的质量来进行动力的代入。

针板还会受到刺针带来的一些力，比如针刺力和针刺惯性力。针刺力是在针刺过程中，纤网通过针刺部分时，刺针反复穿刺纤网中的纤维，刺针的钩刺带着一小束纤维刺入纤网，此时纤维就会对刺针有一个阻力，这个阻力会通过刺针作用于针板，而针板还会对针刺力进行一个反馈，形成一对作用力与反作用力。虽然单根刺针的质量很小，产生的惯性力相比较与其他力很小，但是针板上刺针数量很多，且刺针随着针板上下往复运动，惯性力方向不断变化。因此，在这次实验中刺针的惯性力载荷的大小为刺针质量与加速度的乘积，根据植针密度的变化，针板幅宽长度的变化等，整体的刺针惯性力大小也会改变。在这次实验中选用的刺针的质量是0.988克，刺针惯性力的方向与动力方向相反。刺针惯性力的大小可表示为：

F=m×n×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(4)

其中m=0.988克，n为针板上的总的刺针数。刺针惯性力作用于针板，针板也将反馈同样大小、方向相反的力。因此，针板上还需考虑惯性力反馈。

1.2 仿真的模板分类

针刺机的针板种类很多，可以根据材质不同、植针密度不同、幅宽不同、布针形式不同等细分为很多种。为了提高针刺频率，减小设备的振动，尽量采用轻质合金材料来降低运动部件的质量以减小惯性。目前在国内常见的针板材料有以下三种：

第一种是由镁铝合金拉制而成的型材。其特点密度小、强度高、质地轻、质地均匀，是针板中相比较较好的一种，相对价格也较高，一般适用在高速针刺机上。

第二种是铝合金。铝合金针板并不完全是铝，其实还是含有少量镁的，一般用于中、低速针刺机上。

第三种是环氧树脂。环氧树脂的密度大、价格相对低，非常适用在低速针刺机上。

在仿真软件的材料库中，因为没有找到镁铝合金，所以在这次实验中，将针板材质分为镁合金和铝合金。针板的形变会改变刺针的位置和刺针刺向纤网的角度，对刺针的寿命、纤网的质量产生影响。针板的应力、应变会使针板的部分区域产生磨损或疲劳，对针板自身的寿命造成影响。因此，分析应力、应变和形变量，参数如表1所示。

表1 镁合金和铝合金的部分物理参数

在仿真软件中，针板的幅宽和植针密度对网格化分和计算时间成正比。针板越长，植针密度越大，网格划分就越多，用的时间很长。为了方便数据的比较和规律性，本文采用的幅宽是1.2米、1.5米、1.8米、2.1米和2.4米；设置的植针密度为2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。

针板上的针孔的排列形式合理性是影响针刺产品表面效果及质量最重要的因素之一。布针形式有很多种，为了减少重复针刺，针刺后的纤网表面的针眼分布均匀，条纹针痕不能太明显，都要求排列杂乱无序，也要遵循均布概率。因此，只要保证针板第一列的排列形式无重复即可。目前常见的布针形式有燕尾型、杂乱型、波浪型、满天星型等。为了能够进行对比，在这次仿真实验中采用的布针形式为燕尾型和杂乱型两种。将以上几种因素组合为针板分类，如表2所示。

表2 针板分类

2 Ansys Workbench仿真流程

Ansys Workbench可以进行静力分析、谐响应分析、随机振动分析、动力学分析。流场分析等很多，采用的是静力学分析。静力学分析是最基本的也是应用最广泛的一类分析方法[6]。Ansys Workbench软件主要包括四个模块：Design Modeler模块，用来几何建模，为分析做准备；Design Simulation模块，用来网格划分和求解与后处理；Design Xplorer模块，用来研究所加载载荷对应力、频率等的影响，进行优化处理；FE Modeler是将网格划分后的模型转化成ansys能够识别的数据库文件。而我们在使用时只需要设置前两个模块即可，前两个模块，我们可细分为几何建模、网格划分、加载求解和结果后处理[7]。

2.1 几何建模

Ansys Workbench的几何模型，可以通过两个途径来获得，一个是通过CAD软件导入，另一个就是通过自带的Design Modeler(DM)平台来进行几何建模。从外部的CAD软件导入时会有两种模式，一种是双向模式，即DM与CAD之间存在关联性；另一种就是只读模式。导入几何体时会设置内容，包括几何体的类型(实体、表面、全部)、单位、比例等。而自带的DM的操作界面其实也和当前流行的三维CAD软件的相似，操作也相似。它包括两种形式的建模，一种是常规的草图模式加创建几何体，另一种是概念建模。因为目前的DM无法识别由CAD导入的线体，所以只能在Ansys Workbench中的DM中通过概念建模生成线体模型[8]。无论是导入的模型还是在DM中建立的模型，需要有限元分析的模型必须进行布尔运算，来保证复杂模型的建立和消除模型间空隙。布尔运算就是将两个或两个以上的独立实体进行求和、求差等运算。

模型建立后需要进行材料的设置，Ansys Workbench中自带有工程材料库，材料库中保存了大量的常用材料的属性，包括物理特性、线弹性、实验应力应变数据、超弹性等，也可以自己添加材料，并设置所需的属性。为模型设置材料时要从流程树中选择，然后在参数列表中的Assignment中选取所需材料。

2.2 网格划分

因为是有限元分析，建立的模型也是一个有限元的模型。有限元模型就是将实体模型数字化，它会带有实体模型设置的材料属性。之前在DM中建的模型还是导入的模型都是实体模型，网格划分就是将实体模型转化为有限元模型，而网格划分后的模型的好坏程度对结果的准确度是非常直接的，网格划分是重中之重。

在Ansys Workbench16.0中包含3种类型的网格：一维网格、二维网格和三维网格。一维网格就是一条线连接两个节点；二维网格包括三角形单元和四边形单元，分别连接3个或6个节点与4个或8个节点；三维网格就是四面体单元和六面体单元。网格划分的精细程度可以提高计算精度，但是单元数节点数越多，所需的计算时间和对计算机配置要求就越高。表3为本次仿真实验模型的网格划分单元数和节点数。

表3 模型网格划分后的单元总数和节点总数

2.3 加载求解

加载荷前有一个分析设置，分为载荷步控制和求解器控制。载荷步是以Ansys Workbench中定义的时间和加载方式为基础的。载荷步控制包括两个功能，定义载荷步和设置每个载荷步的分析设置参数。载荷步就是在要加载荷的模型上需要加几步载荷，比如载荷步为2，那么先加设置的第一个力，这个力加载后接下来再加载下一个力。载荷步控制分为人工时间步控制和自动时间步控制。人工载荷步控制需要对每一个载荷步设置分析参数，子步就是载荷步中的载荷逐渐施加到模型上的过程中进行求解的点，结束时间就是这个步终止的时间。这样计算的结果将是与时间有关的函数，时间可以作为载荷步和载荷子步的跟踪。从时间经过来说，载荷步是作用在指定的几个时间内的系列载荷，而子步是时间点，并且用时间来跟踪是更符合自然界发生的大多数的现象[1]。

Ansys Workbench中包括2个求解方法：直接求解法和迭代法。直接求解法可用于FRONT和SPARSE两个求解器，迭代法用于JGG求解器。这3个求解器的选用和自由度条件相关，一般情况下求解器是自动选取的，静力学分析选用的是JGG求解器。

2.4 结果后处理

结果处理是有限元分析中很关键的一步，对结果进行有效的处理可以明白分析模型的响应情况。后处理包括：查看结果、显示结果、输出结果、收敛状况等内容。查看结果时我们可以设置一些选项，比如显示等值线，显示部分模型，光滑的云图等。在后处理中，用户可以指定输出结果，一般包括各方向的变形和应力、应变、接触输出等。这些结果会通过云图、表格、动画等形式输出，也可生成报告。用户可以通过结果来分析比较，看是否在误差范围内，通过结果来判断是否进行优化或改进。

3 仿真结果及分析

以1200*600*14-2000的针板分析结果为例。其中图2为将1200*600*14-2000的燕尾型分布的模型导入仿真软件后，设置材料为镁合金，加载相应约束和载荷后，仿真有限元模型分析计算后得到的形变、应力、应变云图。

(b)应力云图

(c)应变云图

通过分析对比植针密度、针板幅宽、布针形式和针板材质这四个因素对针板性能的影响，从图像看不出太大区别。因此，选取改变的最大值来制作统计图，通过统计图来分析比较，更为直观。

3.1 植针密度对针板性能的影响结果及分析

植针密度对针板的最大形变、应力变化和应变变化的对比结果如图3所示。

(a)植针密度-形变变化图(mm)

(b)植针密度-应力变化图(MPa)

(c)植针密度-应变变化图(%)

图3(a)是在除了植针密度，其他参数均为相同的条件下得到的形变结果对比，比较了幅宽1200mm燕尾型针板的植针密度，分别为2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。通过数据发现，随着植针密度的增加，变形量也增大，且添加了一个趋势线发现植针密度与形变量几乎呈线性相关。针板材质为镁合金的以2000枚/米为基准，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形变量分别增加了53.9%、118.4%、250.3%，针板材质为铝合金的以2000枚/米为基准，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形变量分别增加53.8%、130.2%、250.1%，接近呈倍数增加。还可以从图中发现，针板的形变增加量在植针密度较小时增加植针密度最大变形量的变化较为平稳，但是在植针密度较大时，在提高植针密度，最大变形量的的变化就相对急剧增加。因此，在实际中，针板的植针密度越增加，就需要采取额外的措施来减小针板的变形量，保证应用时能够延长针板、刺针寿命，减小对纤网质量的影响等。

由图3(b)可知，随着植针密度的增加，针板的应力也在增大，且经过计算发现，应力的增加量与植针密度的增大几乎接近倍数，植针密度增加几倍。应力也会增加几倍。比如，植针密度为6000枚/米与植针密度为3000枚/米相比，植针密度为两倍，应力也约为两倍， 2000枚/米和4000枚/米也为同理。在实际中，可以根据应力的这种规律，在允许的应力范围内，可以按需提高植针密度。而且可以从图中得到，铝合金针板与镁合金针板的最大应力值曲线几乎重合。

由图3(c)可知，随着植针密度的增加，应变也在增加，以2000枚/米的针板为基准，计算植针密度与最大应变的增加量的关系，得出针板材质为镁合金时，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的针板的应变增加量分别为52.55%、97.45%、206.00%。同时计算得出针板材质为铝合金时，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的针板的最大应变增加量分别为49.01%、89.00%、200.49%。可以发现这组数据几乎是呈倍数增加的，符合线性相关。

通过以上植针密度与最大形变量、最大应力值、最大应变值的比较，可以得出，随着植针密度的增加，这三个量也在增加，而且由上一节的相应的图片也可以发现，最大应变值和最大应力值发生在气囊面与针板的相交处，主要是因为随着植针密度的增加，相应的针板的针刺力、针刺惯性力也在增加，作用在针孔区域的力增大，而气囊面上虽然有针刺力的反馈和针刺惯性力反馈，但是也存在约束，所以导致相交处的应变和应力最大，并且随着植针密度的增大，整个针板更趋近于网状化结构，其承受载荷的能力减小。在实际的针板应用时，针板的植针密度的变化对针板的影响会更为复杂，应该针对植针密度的增加导致的针板的性能降低，采取一些措施，来尽量的减小影响，延长针板、刺针寿命。

3.2 针板幅宽对针板性能的影响结果及分析

针板幅宽对针板最大形变量、应力和应变的影响结果如图4所示。

(a)针板幅宽-形变变化图(mm)

(b)针板幅宽-应力变化图(MPa)

(c)针板幅宽-应变变化图(%)

由图4(a)可知，随着针板幅宽的增加，最大形变量的变化非常小，镁合金、铝合金差值最大的两个最大形变量的变化率分别为为1.38%、1.53%，可以认为在误差范围内最大形变量没有变化，在仿真实验中，所选取的最大的针板幅宽仅达到2.4m，这在目前的实际应用中属于小幅宽，可能选取的针板幅宽还未达到能够引起形变发生大变化的范围。出现这种情况，只能说明在选取的相对小的幅宽内形变量变化不明显。

由图4(b)可知，随着针板幅宽增加，应力值的变化也很平稳，而且两种材质下的应力变化也接近重合，镁合金、铝合金差值最大的两个最大形变量的变化率分别为3.74%、6.37%。

由图4(c)可知，因为设置的纵坐标单位变化很小，能够明显看到是有细微变化的，变化范围在2um%内，针板幅宽的变化在所选取的针板幅宽内还没有大幅度的变化，计算得出，镁、铝合金针板的最大变形量差最大的分别为5.63%，3.26%。

通过对针板幅宽与最大形变量、最大应力和最大应变的变化，可以得出，在所选取的2.4米幅宽内针板幅宽的变化对针板性能的影响很小，原因是增加针板的幅宽，并没有改变针板对载荷的承受能力。虽然随着针板幅宽增加，植针孔也会增加，载荷也会增加，但是植针孔的增加没有改变植针密度，对结构影响不大，而载荷增加但平均分摊在相同面积内的载荷大小是一样的，无法排除所选取的幅宽还没有达到让针板可以有大的变化的幅宽。

3.3 布针形式对针板性能的影响结果及分析

布针形式分为了燕尾型和随机型，并且针对这两种的布针形式，进行了改变植针密度和针板幅宽的比较，选择的针板材质均为镁合金，不同材质和改变布针形式影响如图5所示。

(a)布针形式-植针密度-形变变化图(mm)

(b)布针形式-针板幅宽-形变变化图(mm)

(c)布针形式-植针密度-应力变化图(MPa)

(d)布针形式-针板幅宽-应力变化图(MPa)

(e)布针形式-植针密度-应变变化图(%)

(f)布针形式-针板幅宽-应变变化图(%)

由图5(a)可以发现，首先符合之前得出的关于植针密度与针板最大形变量的结论，植针密度与最大形变量的变化符合线性相关，而且可以发现，这两种布针形式的最大形变量趋势线几乎重合，布针形式的影响要远小于植针密度对形变的影响。

由图5(b)可以发现，改变针板幅宽的规律也符合之前得出的结论。同时可以发现，虽然这两类针板的最大变形量在0.3um之间变化，形变量可以说是非常小，从趋势线发现几乎重合，但是放大可以发现，随机型的针板的最大形变量要整体小于燕尾型的针板的最大形变量，同时随着幅宽的增加，差距也在减小，在实际中，可以根据这一规律来调整针板的生产。

从图5(c)中得出这两种布针形式的针板随着植针密度的增加，应力也在增加，增加的趋势也近似。

从图5(d)中可以看到，针板幅宽的变化，对这两种布针形式的针板最大应力变化都是符合之前得出的结论，影响很小，而随机型的针板的最大应力值要整体小于燕尾型的针板。

通过图5(e)可以得出，这两种布针形式下，植针密度的增加，应变也在增加。同时也可以看到，在3000枚/米的植针密度以下，随机型的最大应变值小于燕尾型的，在4000枚/米时超过了燕尾型的最大应变值，所发生的变化，在误差范围内，数据太少，不足以证明其他结论。

通过图5(f)可以得出，在这两种布针形式下的针板幅宽增加也符合之前的结论，针板幅宽的增加暂时还不能引起应变的改变，图中，可以得出随机型的针板的应变值整体小于应力值，但随着幅宽增加，差距在减小。

通过对以上六幅图的两种布针形式进行比较，首先进一步证明了之前得出的关于植针密度和针板幅宽的结论，其次也得出这两种布针形式的差异不是非常明显，很接近，但是总体上来讲，随机型的针板要比燕尾型的相应的最大形变值、最大应力值和最大应变值都要小一点，因为随机型的植针分布更没有规律，更接近均匀分布，更接近横不成横，纵不成纵，这样可以相应的减小载荷的影响。

3.4 针板材质对针板性能的影响结果及分析

针板的材质只选取了镁合金和铝合金进行比较。由图3(a)可知，铝合金的最大形变量要小于镁合金的最大形变量，并且随着植针密度的增加，差值越来越大，镁合金的形变量增加更大，而铝合金较为平稳；由图4(a)可知，铝合金的最大形变量也小于镁合金的最大形变量，通过计算得出，除了针板材质其他条件均一致的情况下，针板幅宽的影响对两种材质的针板的最大形变量的变化几乎是平行的，铝合金的平均最大形变量为镁合金最大形变量的63.67%；同时通过比较图5(b)得出，布针形式对针板最大形变量的影响要小于针板材质对针板最大形变量的影响，由此可以得出，铝合金的针板更不易变形，相对更加稳定。

由图3(b)和图4(b)得出，两种材质的针板在植针密度改变，针板幅宽改变时，最大应力值都是非常接近的，几乎没有改变。由此可以得出，在同一种载荷的情况下，镁合金和铝合金的针板的最大应力值的差异很小。同时比较图3(b)和图5(c)、图4(b)和图5(d)这两组图，可以得出，布针形式的改变对最大应力值的影响要比针板材质的改变对针板最大应力值的影响要大一点。

由图3(c)可知，镁合金的针板的最大应变值的变化要大于铝合金则最大应变值变化，而且随着植针密度的增加，镁合金的针板对应变的敏感度更为明显，而铝合金则相对平稳一些，在植针密度改变时，铝合金更不易变形。由图4(c)可以得出，镁合金的针板的最大应变要整体大于铝合金的最大应变，铝合金的平均最大应变值为镁合金的64.58%。由此得出，铝合金对于应变更为稳定，不易变形，物理性能更优。

通过分别比较图3(c)和图5(e)、图4(c)和图5(f)可以得出，布针形式的改变对最大应变值的影响要小于针板材质的改变对最大应变值的影响。

总结仿真的针板材质对针板性能的影响，可以得出，铝合金的针板在形变、应力、应变的性能方面更为突出，可以使针板更为稳定。

4 结论

本文通过仿真的方法对针刺过程中针板的变形进行了分析，从改变幅宽、植针密度、布针形式和针板材质四个方面建立针板模型，得到了21个模板，通过仿真后得到的云图，并对信息和数据进行分析和总结。结果表明，植针密度的改变对针板性能的影响较大，因为植针密度的增加，从结构上改变了针板性能，降低了针板对载荷的承受能力，并且针刺力和针刺惯性力也在增加，所以对针板性能的影响非常明显。在增加植针密度时，应该增加额外的手段去增加针板对载荷的承受能力，加固针板性能，以免带来更大的危害。而针板幅宽、针板材质和布针形式的改变对针板性能影响相比较植针密度来讲都不太明显；针板幅宽增加，植针数也是成比例的增加，针刺力、针刺惯性力也在增加，但是每平方米的针板承受的平均载荷不变，所以针板幅宽增加时针板形变、应力、应变几乎是不变化的；布针形式只比较了随机型和燕尾型的针板，比较发现，随机型针板的性能稍微优于燕尾型，因为随机型的针板更符合布针的要求，但是在实际应用中，会根据所需的纤网来选择布针方式；针板材质中，发现铝合金更为稳定，不易变形。