涂布機二面機頭走臺結構仿真及優(yōu)化

鄒勝 江正賢

摘 ?要：針對涂布機二面機頭設備穩(wěn)定性、可靠性要求，運用有限元分析軟件對二面機頭走臺進行了模態(tài)分析，確定了走臺前6階振動模態(tài)和固有頻率。同時對走臺進行了結構優(yōu)化，提高了走臺的固有頻率。通過比較走臺優(yōu)化前后的靜力分析，走臺的整體變形得到了明顯改善，驗證了優(yōu)化結果。其研究結果對設備的結構設計有一定的指導意義。

關鍵詞：涂布機二面機頭;走臺;模態(tài)分析;固有頻率;結構優(yōu)化;

1 引言

近年來在全球大力倡導發(fā)展綠色能源，降低碳排放的趨勢下，各國對動力電池和儲能電池的需求越來越大。隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，鋰電池的生產規(guī)模逐漸擴大。而有一定規(guī)模的鋰電池生產企業(yè)都采用擠壓涂布方式。在鋰電池生產過程中，擠壓式涂布機就是將正負極活性物質與粘合劑混合均勻，制成糊狀，均勻涂覆于鋰電池基材兩側[1]。本文要研究的是涂覆極片二面的設備結構，由于二面機頭一般都在二層，其重心較高，而承載二面機頭的走臺是保證二面機頭穩(wěn)定涂布的關鍵。因此，需要考慮走臺的剛度和強度要求，以及動態(tài)特性。運用有限元分析軟件對二面機頭走臺進行靜動態(tài)特性分析，為結構優(yōu)化設計提供理論依據。

2 走臺模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

以四川宜賓某鋰電池涂布機為研究對象，二面機頭放置于走臺上，其質量為3455.8kg。對二面機頭走臺進行模態(tài)分析，主要是為了研究其在自由狀態(tài)下的固有振動特性。為了保證走臺模型的求解速度和精度，便對模型進行簡化處理，去除對走臺剛度影響很小的細小特征，如小圓孔、小圓角、小倒角等[2]。在SolidWorks中建立好二面機頭走臺的簡化模型后，將其導入有限元分析軟件中定義材料屬性。材料為結構鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，許用強度275MPa。涂布機二面機頭模型如圖1所示，走臺簡化模型如圖2所示。

2.2 模態(tài)分析理論

在結構模態(tài)分析中，機械結構可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在阻抗試驗中表現為多個共振區(qū)。一個N自由度線性結構系統(tǒng)，其運動微分方程為：

方程的根（特征值）即為模型的固有頻率，根據特征值可求得特征向量，即給定頻率下的振型。對二面機頭走臺進行模態(tài)分析時，可以根據式（2）計算求解出其固有頻率和振型。

2.3 模態(tài)分析結果

在有限元分析軟件中設置走臺模型的零部件接觸類型為Bonded，即接觸面之間不存在切向的相對滑動或法向的相對分離。對走臺的4個地腳底面進行固定約束，求解后得到了走臺的各階固有頻率及相應的振型。一般外部載荷的頻率較低，模態(tài)階數越高，固有頻率越大，低階固有頻率比高階固有頻率更容易導致設備發(fā)生共振，故主要考慮走臺的低階模態(tài)。提取前6階模態(tài)，其各階模態(tài)振型如圖3到圖8所示，各階模態(tài)匯總結果如表1所示。

從表1可以看出，二面機頭走臺前3階固有頻率偏低，說明主體結構在X、Z方向上的剛度不足。當走臺受到外界激勵時容易發(fā)生共振，會影響二面機頭涂布效果。因此，有必要對走臺結構進行優(yōu)化，提高其固有頻率，避免共振破壞結構[3]。

3 走臺結構優(yōu)化

在對二面機頭走臺進行結構優(yōu)化時，考慮走臺的重心較高，立柱方通跨度大，走臺下端有其它設備等因素，優(yōu)化方案主要包括以下幾個方面：（1）在走臺立柱方通上端各焊接1個方通，方通截面尺寸為100×100mm，厚4mm，長950mm;（2）改變中間方通到底部方通的距離;（3）在方通與方通、工字鋼的連接處焊接24個異形方通。走臺優(yōu)化后的模型如圖9所示。對優(yōu)化后的走臺進行了模態(tài)分析，各階模態(tài)振型如圖10到15所示，走臺優(yōu)化前后前6階固有頻率比較如表2所示。

根據二面機頭的質心坐標，在機頭與走臺固定座接觸的面施加遠端力（二面機頭自重），同時添加重力加速度，固定約束走臺的4個地腳底面。走臺優(yōu)化前后靜力變形如圖16、17。

由表2可知，走臺結構優(yōu)化后前6階固有頻率都得到了提高。特別是第1階固有頻率從7.1255Hz增加到11.244Hz，相對原始第1階固有頻率增加了約57.8%。優(yōu)化后走臺最大變形由0.9947mm變?yōu)?.62209mm，相對原始結構減小了37.5%，驗證了優(yōu)化結果。

4 結論

本文運用有限元分析軟件對涂布機二面機頭走臺進行了模態(tài)分析，得到了走臺的前6階振動模態(tài)和固有頻率，經過分析發(fā)現原始走臺剛度不足，故對其結構進行了優(yōu)化，提高了走臺的固有頻率。通過比較走臺優(yōu)化前后靜力變形，驗證了優(yōu)化結果。為設備的結構設計提供了理論依據，能有效地節(jié)約成本和縮短研發(fā)周期。

參考文獻

[1] 齊繼寶，黃燁，楊偉民.新型寬幅動力鋰電池擠壓式涂布機的研制[J].機械設計與制造，2019（12）：117-120.

[2] 張衛(wèi)芬，李永梅，遲英姿.基于ANSYS的洗衣機機箱模態(tài)及諧響應分析[J].機械工程與自動化，2015（05）：64-65+67.

[3] 王爭如，張清萍，王成.激光切割機機身有限元分析及實驗研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49（03）：44-47.