雙側夾持針板在針刺過程中的力學分析

梁振江,鄧 輝,2,張 杰,王慶濤,錢曉明,2

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院,天津 300387; 2.天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室,天津 300387 )

0 引言

從上世紀90年代到今天，是計算機輔助工程(CAE)技術發展最成熟的時期。現在的CAE技術已經擁有多種算法，并已大量的應用于結構力學、結構動力學、熱力學、流體力學等仿真分析。Ansys是一款大型有限元分析軟件系統，是一款非常成功的CAE分析軟件。有限元分析是指將真實的物理系統利用數學的近似的方法進行模擬，將物理結構離散為有限個單元[1]，并在每個單元內設置有限個節點，將整個物理結構看成是只在節點處相連接而成的集合體，用有限數量的單元去逼近無限未知的真實系統。然后通過添加約束、施加載荷、設置邊界條件等對節點添加位移模式，并對節點位移進行求解，來進行仿真模擬，分析實際過程。使用仿真軟件模擬針刺過程中的針板變形，能更直觀、量化的得到變形結果[2]。

推動非織造技術發展的因素除了工藝改進和設備進步以外，結合計算機技術也是一個非常重要的因素。在《紡織機械行業“十三五”發展指導性意見》中列入了非織造機械項目5項，指出非織造機械將向模塊化設備、智能制造、節能減排、高產寬幅、仿真模擬等方向發展[3]，其中特別指出，針刺機發展需要在＂十三五＂中完成針刺頻率高速化、針刺機構模塊化、針刺機構運動高精度化、針刺機控制系統智能化等關鍵技術的突破[4]。

本文主要運用Ansys軟件建立不同類型的針板模型，通過改變相關參數，并簡化針板的實際情況進行有限元仿真，進而將量化分析部分關鍵參數對針板的性能影響。

1 針板受力分析及仿真分析

1.1 針板受力分析

在實際過程中，針板是隨著傳動機構上下往復運動，針板上的刺針的倒鉤帶動纖維對梳理過的纖維反復穿刺，得到蓬松且具有一定強力的纖網。將針刺部分(如圖1(a))可簡化成曲柄滑塊機構(如圖1(b))，對針板的受力進行分析。

(a) 針刺機針刺部分

(b) 曲柄滑塊機構

在針刺部分針刺過程中，是由電動機經過減速機然后帶動主曲軸，主曲軸通過聯軸器與其他曲軸相連，曲軸的偏心部分與連桿連接，連桿與針梁連接，針梁上固定著針板，針板上帶著刺針。因此，在曲柄滑塊簡圖中，曲軸的偏心部分就是曲柄，而滑塊就是針梁和針板部分[5]，經過分析和整理可以得到，針板的加速度為：

(1)

其中，R1表示曲柄的長度；ω表示曲柄的角速度；α表示曲柄與機架的夾角；R2表示連桿的長度。

在本次實驗中，選取了在針刺頻率為1200刺/分鐘，針刺動程為20mm下的曲柄滑塊加速度，其中R1=0.02m,R2=0.5m,所選取參數符合實際生產過程和符合實際運算，所以帶入數據并整理成了一個關于時間的函數(2)式：

a=32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(2)

動力函數可寫成：

F=M×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(3)

其中M表示針板與刺針質量。

在針刺過程中，主要是由電動機提供動力，經減速機等機構，將動力傳導至針梁針板結合的滑塊機構，使其上下平穩運動?；瑝K的速度變化并不大，但加速度的方向變化和頻率幅度就很明顯，要在短時間內反復多次的進行上下運動，所以通過加速度來表示動力的變化。針板上是帶有刺針的，由動力機構帶動針板運動，所以需要考慮刺針和針板一起的質量來進行動力的代入。

針板還會受到刺針帶來的一些力，比如針刺力和針刺慣性力。針刺力是在針刺過程中，纖網通過針刺部分時，刺針反復穿刺纖網中的纖維，刺針的鉤刺帶著一小束纖維刺入纖網，此時纖維就會對刺針有一個阻力，這個阻力會通過刺針作用于針板，而針板還會對針刺力進行一個反饋，形成一對作用力與反作用力。雖然單根刺針的質量很小，產生的慣性力相比較與其他力很小，但是針板上刺針數量很多，且刺針隨著針板上下往復運動，慣性力方向不斷變化。因此，在這次實驗中刺針的慣性力載荷的大小為刺針質量與加速度的乘積，根據植針密度的變化，針板幅寬長度的變化等，整體的刺針慣性力大小也會改變。在這次實驗中選用的刺針的質量是0.988克，刺針慣性力的方向與動力方向相反。刺針慣性力的大小可表示為：

F=m×n×32×π2(cos40πt+0.04cos80πt)

(4)

其中m=0.988克，n為針板上的總的刺針數。刺針慣性力作用于針板，針板也將反饋同樣大小、方向相反的力。因此，針板上還需考慮慣性力反饋。

1.2 仿真的模板分類

針刺機的針板種類很多，可以根據材質不同、植針密度不同、幅寬不同、布針形式不同等細分為很多種。為了提高針刺頻率，減小設備的振動，盡量采用輕質合金材料來降低運動部件的質量以減小慣性。目前在國內常見的針板材料有以下三種：

第一種是由鎂鋁合金拉制而成的型材。其特點密度小、強度高、質地輕、質地均勻，是針板中相比較較好的一種，相對價格也較高，一般適用在高速針刺機上。

第二種是鋁合金。鋁合金針板并不完全是鋁，其實還是含有少量鎂的，一般用于中、低速針刺機上。

第三種是環氧樹脂。環氧樹脂的密度大、價格相對低，非常適用在低速針刺機上。

在仿真軟件的材料庫中，因為沒有找到鎂鋁合金，所以在這次實驗中，將針板材質分為鎂合金和鋁合金。針板的形變會改變刺針的位置和刺針刺向纖網的角度，對刺針的壽命、纖網的質量產生影響。針板的應力、應變會使針板的部分區域產生磨損或疲勞，對針板自身的壽命造成影響。因此，分析應力、應變和形變量，參數如表1所示。

表1 鎂合金和鋁合金的部分物理參數

在仿真軟件中，針板的幅寬和植針密度對網格化分和計算時間成正比。針板越長，植針密度越大，網格劃分就越多，用的時間很長。為了方便數據的比較和規律性，本文采用的幅寬是1.2米、1.5米、1.8米、2.1米和2.4米；設置的植針密度為2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。

針板上的針孔的排列形式合理性是影響針刺產品表面效果及質量最重要的因素之一。布針形式有很多種，為了減少重復針刺，針刺后的纖網表面的針眼分布均勻，條紋針痕不能太明顯，都要求排列雜亂無序，也要遵循均布概率。因此，只要保證針板第一列的排列形式無重復即可。目前常見的布針形式有燕尾型、雜亂型、波浪型、滿天星型等。為了能夠進行對比，在這次仿真實驗中采用的布針形式為燕尾型和雜亂型兩種。將以上幾種因素組合為針板分類，如表2所示。

表2 針板分類

2 Ansys Workbench仿真流程

Ansys Workbench可以進行靜力分析、諧響應分析、隨機振動分析、動力學分析。流場分析等很多，采用的是靜力學分析。靜力學分析是最基本的也是應用最廣泛的一類分析方法[6]。Ansys Workbench軟件主要包括四個模塊：Design Modeler模塊，用來幾何建模，為分析做準備；Design Simulation模塊，用來網格劃分和求解與后處理；Design Xplorer模塊，用來研究所加載載荷對應力、頻率等的影響，進行優化處理；FE Modeler是將網格劃分后的模型轉化成ansys能夠識別的數據庫文件。而我們在使用時只需要設置前兩個模塊即可，前兩個模塊，我們可細分為幾何建模、網格劃分、加載求解和結果后處理[7]。

2.1 幾何建模

Ansys Workbench的幾何模型，可以通過兩個途徑來獲得，一個是通過CAD軟件導入，另一個就是通過自帶的Design Modeler(DM)平臺來進行幾何建模。從外部的CAD軟件導入時會有兩種模式，一種是雙向模式，即DM與CAD之間存在關聯性；另一種就是只讀模式。導入幾何體時會設置內容，包括幾何體的類型(實體、表面、全部)、單位、比例等。而自帶的DM的操作界面其實也和當前流行的三維CAD軟件的相似，操作也相似。它包括兩種形式的建模，一種是常規的草圖模式加創建幾何體，另一種是概念建模。因為目前的DM無法識別由CAD導入的線體，所以只能在Ansys Workbench中的DM中通過概念建模生成線體模型[8]。無論是導入的模型還是在DM中建立的模型，需要有限元分析的模型必須進行布爾運算，來保證復雜模型的建立和消除模型間空隙。布爾運算就是將兩個或兩個以上的獨立實體進行求和、求差等運算。

模型建立后需要進行材料的設置，Ansys Workbench中自帶有工程材料庫，材料庫中保存了大量的常用材料的屬性，包括物理特性、線彈性、實驗應力應變數據、超彈性等，也可以自己添加材料，并設置所需的屬性。為模型設置材料時要從流程樹中選擇，然后在參數列表中的Assignment中選取所需材料。

2.2 網格劃分

因為是有限元分析，建立的模型也是一個有限元的模型。有限元模型就是將實體模型數字化，它會帶有實體模型設置的材料屬性。之前在DM中建的模型還是導入的模型都是實體模型，網格劃分就是將實體模型轉化為有限元模型，而網格劃分后的模型的好壞程度對結果的準確度是非常直接的，網格劃分是重中之重。

在Ansys Workbench16.0中包含3種類型的網格：一維網格、二維網格和三維網格。一維網格就是一條線連接兩個節點；二維網格包括三角形單元和四邊形單元，分別連接3個或6個節點與4個或8個節點；三維網格就是四面體單元和六面體單元。網格劃分的精細程度可以提高計算精度，但是單元數節點數越多，所需的計算時間和對計算機配置要求就越高。表3為本次仿真實驗模型的網格劃分單元數和節點數。

表3 模型網格劃分后的單元總數和節點總數

2.3 加載求解

加載荷前有一個分析設置，分為載荷步控制和求解器控制。載荷步是以Ansys Workbench中定義的時間和加載方式為基礎的。載荷步控制包括兩個功能，定義載荷步和設置每個載荷步的分析設置參數。載荷步就是在要加載荷的模型上需要加幾步載荷，比如載荷步為2，那么先加設置的第一個力，這個力加載后接下來再加載下一個力。載荷步控制分為人工時間步控制和自動時間步控制。人工載荷步控制需要對每一個載荷步設置分析參數，子步就是載荷步中的載荷逐漸施加到模型上的過程中進行求解的點，結束時間就是這個步終止的時間。這樣計算的結果將是與時間有關的函數，時間可以作為載荷步和載荷子步的跟蹤。從時間經過來說，載荷步是作用在指定的幾個時間內的系列載荷，而子步是時間點，并且用時間來跟蹤是更符合自然界發生的大多數的現象[1]。

Ansys Workbench中包括2個求解方法：直接求解法和迭代法。直接求解法可用于FRONT和SPARSE兩個求解器，迭代法用于JGG求解器。這3個求解器的選用和自由度條件相關，一般情況下求解器是自動選取的，靜力學分析選用的是JGG求解器。

2.4 結果后處理

結果處理是有限元分析中很關鍵的一步，對結果進行有效的處理可以明白分析模型的響應情況。后處理包括：查看結果、顯示結果、輸出結果、收斂狀況等內容。查看結果時我們可以設置一些選項，比如顯示等值線，顯示部分模型，光滑的云圖等。在后處理中，用戶可以指定輸出結果，一般包括各方向的變形和應力、應變、接觸輸出等。這些結果會通過云圖、表格、動畫等形式輸出，也可生成報告。用戶可以通過結果來分析比較，看是否在誤差范圍內，通過結果來判斷是否進行優化或改進。

3 仿真結果及分析

以1200*600*14-2000的針板分析結果為例。其中圖2為將1200*600*14-2000的燕尾型分布的模型導入仿真軟件后，設置材料為鎂合金，加載相應約束和載荷后，仿真有限元模型分析計算后得到的形變、應力、應變云圖。

(b)應力云圖

(c)應變云圖

通過分析對比植針密度、針板幅寬、布針形式和針板材質這四個因素對針板性能的影響，從圖像看不出太大區別。因此，選取改變的最大值來制作統計圖，通過統計圖來分析比較，更為直觀。

3.1 植針密度對針板性能的影響結果及分析

植針密度對針板的最大形變、應力變化和應變變化的對比結果如圖3所示。

(a)植針密度-形變變化圖(mm)

(b)植針密度-應力變化圖(MPa)

(c)植針密度-應變變化圖(%)

圖3(a)是在除了植針密度，其他參數均為相同的條件下得到的形變結果對比，比較了幅寬1200mm燕尾型針板的植針密度，分別為2000枚/米、3000枚/米、4000枚/米和6000枚/米。通過數據發現，隨著植針密度的增加，變形量也增大，且添加了一個趨勢線發現植針密度與形變量幾乎呈線性相關。針板材質為鎂合金的以2000枚/米為基準，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形變量分別增加了53.9%、118.4%、250.3%，針板材質為鋁合金的以2000枚/米為基準，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的最大形變量分別增加53.8%、130.2%、250.1%，接近呈倍數增加。還可以從圖中發現，針板的形變增加量在植針密度較小時增加植針密度最大變形量的變化較為平穩，但是在植針密度較大時，在提高植針密度，最大變形量的的變化就相對急劇增加。因此，在實際中，針板的植針密度越增加，就需要采取額外的措施來減小針板的變形量，保證應用時能夠延長針板、刺針壽命，減小對纖網質量的影響等。

由圖3(b)可知，隨著植針密度的增加，針板的應力也在增大，且經過計算發現，應力的增加量與植針密度的增大幾乎接近倍數，植針密度增加幾倍。應力也會增加幾倍。比如，植針密度為6000枚/米與植針密度為3000枚/米相比，植針密度為兩倍，應力也約為兩倍， 2000枚/米和4000枚/米也為同理。在實際中，可以根據應力的這種規律，在允許的應力范圍內，可以按需提高植針密度。而且可以從圖中得到，鋁合金針板與鎂合金針板的最大應力值曲線幾乎重合。

由圖3(c)可知，隨著植針密度的增加，應變也在增加，以2000枚/米的針板為基準，計算植針密度與最大應變的增加量的關系，得出針板材質為鎂合金時，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的針板的應變增加量分別為52.55%、97.45%、206.00%。同時計算得出針板材質為鋁合金時，3000枚/米、4000枚/米、6000枚/米的針板的最大應變增加量分別為49.01%、89.00%、200.49%?？梢园l現這組數據幾乎是呈倍數增加的，符合線性相關。

通過以上植針密度與最大形變量、最大應力值、最大應變值的比較，可以得出，隨著植針密度的增加，這三個量也在增加，而且由上一節的相應的圖片也可以發現，最大應變值和最大應力值發生在氣囊面與針板的相交處，主要是因為隨著植針密度的增加，相應的針板的針刺力、針刺慣性力也在增加，作用在針孔區域的力增大，而氣囊面上雖然有針刺力的反饋和針刺慣性力反饋，但是也存在約束，所以導致相交處的應變和應力最大，并且隨著植針密度的增大，整個針板更趨近于網狀化結構，其承受載荷的能力減小。在實際的針板應用時，針板的植針密度的變化對針板的影響會更為復雜，應該針對植針密度的增加導致的針板的性能降低，采取一些措施，來盡量的減小影響，延長針板、刺針壽命。

3.2 針板幅寬對針板性能的影響結果及分析

針板幅寬對針板最大形變量、應力和應變的影響結果如圖4所示。

(a)針板幅寬-形變變化圖(mm)

(b)針板幅寬-應力變化圖(MPa)

(c)針板幅寬-應變變化圖(%)

由圖4(a)可知，隨著針板幅寬的增加，最大形變量的變化非常小，鎂合金、鋁合金差值最大的兩個最大形變量的變化率分別為為1.38%、1.53%，可以認為在誤差范圍內最大形變量沒有變化，在仿真實驗中，所選取的最大的針板幅寬僅達到2.4m，這在目前的實際應用中屬于小幅寬，可能選取的針板幅寬還未達到能夠引起形變發生大變化的范圍。出現這種情況，只能說明在選取的相對小的幅寬內形變量變化不明顯。

由圖4(b)可知，隨著針板幅寬增加，應力值的變化也很平穩，而且兩種材質下的應力變化也接近重合，鎂合金、鋁合金差值最大的兩個最大形變量的變化率分別為3.74%、6.37%。

由圖4(c)可知，因為設置的縱坐標單位變化很小，能夠明顯看到是有細微變化的，變化范圍在2um%內，針板幅寬的變化在所選取的針板幅寬內還沒有大幅度的變化，計算得出，鎂、鋁合金針板的最大變形量差最大的分別為5.63%，3.26%。

通過對針板幅寬與最大形變量、最大應力和最大應變的變化，可以得出，在所選取的2.4米幅寬內針板幅寬的變化對針板性能的影響很小，原因是增加針板的幅寬，并沒有改變針板對載荷的承受能力。雖然隨著針板幅寬增加，植針孔也會增加，載荷也會增加，但是植針孔的增加沒有改變植針密度，對結構影響不大，而載荷增加但平均分攤在相同面積內的載荷大小是一樣的，無法排除所選取的幅寬還沒有達到讓針板可以有大的變化的幅寬。

3.3 布針形式對針板性能的影響結果及分析

布針形式分為了燕尾型和隨機型，并且針對這兩種的布針形式，進行了改變植針密度和針板幅寬的比較，選擇的針板材質均為鎂合金，不同材質和改變布針形式影響如圖5所示。

(a)布針形式-植針密度-形變變化圖(mm)

(b)布針形式-針板幅寬-形變變化圖(mm)

(c)布針形式-植針密度-應力變化圖(MPa)

(d)布針形式-針板幅寬-應力變化圖(MPa)

(e)布針形式-植針密度-應變變化圖(%)

(f)布針形式-針板幅寬-應變變化圖(%)

由圖5(a)可以發現，首先符合之前得出的關于植針密度與針板最大形變量的結論，植針密度與最大形變量的變化符合線性相關，而且可以發現，這兩種布針形式的最大形變量趨勢線幾乎重合，布針形式的影響要遠小于植針密度對形變的影響。

由圖5(b)可以發現，改變針板幅寬的規律也符合之前得出的結論。同時可以發現，雖然這兩類針板的最大變形量在0.3um之間變化，形變量可以說是非常小，從趨勢線發現幾乎重合，但是放大可以發現，隨機型的針板的最大形變量要整體小于燕尾型的針板的最大形變量，同時隨著幅寬的增加，差距也在減小，在實際中，可以根據這一規律來調整針板的生產。

從圖5(c)中得出這兩種布針形式的針板隨著植針密度的增加，應力也在增加，增加的趨勢也近似。

從圖5(d)中可以看到，針板幅寬的變化，對這兩種布針形式的針板最大應力變化都是符合之前得出的結論，影響很小，而隨機型的針板的最大應力值要整體小于燕尾型的針板。

通過圖5(e)可以得出，這兩種布針形式下，植針密度的增加，應變也在增加。同時也可以看到，在3000枚/米的植針密度以下，隨機型的最大應變值小于燕尾型的，在4000枚/米時超過了燕尾型的最大應變值，所發生的變化，在誤差范圍內，數據太少，不足以證明其他結論。

通過圖5(f)可以得出，在這兩種布針形式下的針板幅寬增加也符合之前的結論，針板幅寬的增加暫時還不能引起應變的改變，圖中，可以得出隨機型的針板的應變值整體小于應力值，但隨著幅寬增加，差距在減小。

通過對以上六幅圖的兩種布針形式進行比較，首先進一步證明了之前得出的關于植針密度和針板幅寬的結論，其次也得出這兩種布針形式的差異不是非常明顯，很接近，但是總體上來講，隨機型的針板要比燕尾型的相應的最大形變值、最大應力值和最大應變值都要小一點，因為隨機型的植針分布更沒有規律，更接近均勻分布，更接近橫不成橫，縱不成縱，這樣可以相應的減小載荷的影響。

3.4 針板材質對針板性能的影響結果及分析

針板的材質只選取了鎂合金和鋁合金進行比較。由圖3(a)可知，鋁合金的最大形變量要小于鎂合金的最大形變量，并且隨著植針密度的增加，差值越來越大，鎂合金的形變量增加更大，而鋁合金較為平穩；由圖4(a)可知，鋁合金的最大形變量也小于鎂合金的最大形變量，通過計算得出，除了針板材質其他條件均一致的情況下，針板幅寬的影響對兩種材質的針板的最大形變量的變化幾乎是平行的，鋁合金的平均最大形變量為鎂合金最大形變量的63.67%；同時通過比較圖5(b)得出，布針形式對針板最大形變量的影響要小于針板材質對針板最大形變量的影響，由此可以得出，鋁合金的針板更不易變形，相對更加穩定。

由圖3(b)和圖4(b)得出，兩種材質的針板在植針密度改變，針板幅寬改變時，最大應力值都是非常接近的，幾乎沒有改變。由此可以得出，在同一種載荷的情況下，鎂合金和鋁合金的針板的最大應力值的差異很小。同時比較圖3(b)和圖5(c)、圖4(b)和圖5(d)這兩組圖，可以得出，布針形式的改變對最大應力值的影響要比針板材質的改變對針板最大應力值的影響要大一點。

由圖3(c)可知，鎂合金的針板的最大應變值的變化要大于鋁合金則最大應變值變化，而且隨著植針密度的增加，鎂合金的針板對應變的敏感度更為明顯，而鋁合金則相對平穩一些，在植針密度改變時，鋁合金更不易變形。由圖4(c)可以得出，鎂合金的針板的最大應變要整體大于鋁合金的最大應變，鋁合金的平均最大應變值為鎂合金的64.58%。由此得出，鋁合金對于應變更為穩定，不易變形，物理性能更優。

通過分別比較圖3(c)和圖5(e)、圖4(c)和圖5(f)可以得出，布針形式的改變對最大應變值的影響要小于針板材質的改變對最大應變值的影響。

總結仿真的針板材質對針板性能的影響，可以得出，鋁合金的針板在形變、應力、應變的性能方面更為突出，可以使針板更為穩定。

4 結論

本文通過仿真的方法對針刺過程中針板的變形進行了分析，從改變幅寬、植針密度、布針形式和針板材質四個方面建立針板模型，得到了21個模板，通過仿真后得到的云圖，并對信息和數據進行分析和總結。結果表明，植針密度的改變對針板性能的影響較大，因為植針密度的增加，從結構上改變了針板性能，降低了針板對載荷的承受能力，并且針刺力和針刺慣性力也在增加，所以對針板性能的影響非常明顯。在增加植針密度時，應該增加額外的手段去增加針板對載荷的承受能力，加固針板性能，以免帶來更大的危害。而針板幅寬、針板材質和布針形式的改變對針板性能影響相比較植針密度來講都不太明顯；針板幅寬增加，植針數也是成比例的增加，針刺力、針刺慣性力也在增加，但是每平方米的針板承受的平均載荷不變，所以針板幅寬增加時針板形變、應力、應變幾乎是不變化的；布針形式只比較了隨機型和燕尾型的針板，比較發現，隨機型針板的性能稍微優于燕尾型，因為隨機型的針板更符合布針的要求，但是在實際應用中，會根據所需的纖網來選擇布針方式；針板材質中，發現鋁合金更為穩定，不易變形。