基于有限元的手套包裝機檢測機構分析

楊承鑫 蔡吉飛 房瑞明 楊明旭

摘要：手套漏氣檢測裝置是手套漏氣檢測設備的核心所在，其穩定性對手套漏氣檢測精度有著重要的影響。為了降低手套漏氣檢測裝置的變形和振動對手套漏氣檢測精度的影響，以手套漏氣檢測裝置的支架為研究對象，運用SolidWorks對檢測支架進行三維模型繪制且保存為parasolid格式導入到ANSYS Workbench中進行分析，得到檢測支架形變量為0.009mm，變形量非常小，對檢測精度造成的影響可以由PLC內部程序設置的修正值予以消除。再對檢測支架進行模態分析和諧響應分析，得到前六階固有頻率、振型以及振幅與頻率的關系，通過對比模態分析與諧響應分析結果，發現三階固有頻率186.43Hz對檢測支架影響較大，容易引起共振現象。

關鍵詞：手套漏氣檢測；振動；模態分析；固有頻率

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2022） 01-0029-05

Analysis of Testing Mechanism of Glove Packaging Machine Based on Finite Element Method

YANG Cheng-xin， CAI Ji-fei， FANG Rui-ming， YANG Ming-xu

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： Glove air leakage detection device is the core of glove air leakage detection equipment， and its stability has an important impact on glove air leakage detection accuracy. In order to reduce the deformation of glove air leakage detection device and the influence of vibration on glove air leakage detection accuracy， this paper takes the bracket of glove air leakage detection device as the research object， draws the three-dimensional model of the detection bracket by SolidWorks， saves it in parasolid format， and imports it into ANSYS Workbench for analysis. The deformation of the detection bracket is 0.009mm， and the deformation is very small. The influence on detection accuracy can be eliminated by the correction value set by PLC internal program， and then modal analysis and harmonic response analysis are carried out on the detection bracket. The first six natural frequencies， vibration modes and the relationship between amplitude and frequency of the detection bracket are obtained through modal analysis and harmonic response analysis. By comparing the results of modal analysis and harmonic response analysis， it is found that the third natural frequency 186.43Hz has great influence on the detection bracket， which is easy to cause resonance phenomenon.

Key words： glove leakage detection； vibration； modal analysis； natural frequency

2020年初，新型冠狀病毒感染肺炎疫情暴發，隨后在全球蔓延。醫用手套用于醫用檢查、診斷和外科手術操作過程中防止病人和使用者之間交叉感染，也可用于處理受污染醫療材料，它成為新冠病毒肺炎疫情防控中的關鍵防控物資之一，因此保證醫用手套的氣密性檢測精度十分重要[1，2，3]。

手套漏氣檢測設備的研發成果來源于北京印刷學院蔡吉飛教授團隊與北京澤宇星科技有限公司聯手合作的“手套漏氣檢測自動化改造”課題。北京澤宇星科技有限公司研發的半自動手套漏氣檢測設備的優勢在于提高手套漏氣檢測質量和減輕工廠員工的工作負擔。漏氣檢測裝置是整個設備的核心所在，用于檢測手套漏氣的傳感器固定在檢測支架上，由于手套漏氣檢測裝置屬于高精度量具，檢測支架的變形和振動對手套漏氣檢測精度有非常大的影響，這就需要檢測支架具有非常高的穩定性。在工作過程中，檢測支架受到與其聯接的零件運轉所引起的復雜性載荷和振動，倘若引起的振動頻率達到了與檢測支架本身的固有頻率一致或相近時，就會使檢測支架產生共振，影響手套漏氣檢測精度，更嚴重甚至破壞手套漏氣檢測設備的穩定性，使整個手套漏氣檢測設備出現嚴重的安全隱患。

1 有限元分析前處理

1.1 定義材料屬性

以手套漏氣檢測裝置的支架為研究對象，利用SolidWorks三維建模軟件對漏氣檢測裝置的檢測支架進行建模如圖1所示，檢測支架包括上橫梁、中間方鋼、下橫梁、檢測支架組件1、檢測支架組件2、檢測支架組件3等六個部分，這些零件材料都是Q235，材料密度7850Kg/m3，彈性模量為2.1E+11Pa，泊松比為0.33。將三維模型保存為parasolid格式導入到 ANSYS Workbench中進行有限元分析。

1.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析前處理階段中不可或缺更是十分重要的部分，網格質量好壞直接影響著求解精準度。隨著網格尺寸的減小，理論上有限元分析結果會逐漸收斂與一個穩定值，但是網格尺寸越小，計算機計算的負擔越大，網格尺寸太大又不能保證計算精度[4]。因此，將網格尺寸作為優化目標，網格最大尺寸設置為15mm，最小尺寸設置為3mm，將檢測支架最大變形尺寸作為輸出參數，得到檢測支架的最大變形與網格尺寸的關系圖，如圖3所示。

從檢測支架的最大變形與網格尺寸關系圖可以看出整體波動幅度在0.0001mm以內，但是在網格尺寸逐漸減小的過程中，前一段波動較大，在網格尺寸小于5mm之后逐漸趨于平穩，在保證計算精度且在計算機最大計算容量允許范圍內，選用尺寸為5.0mm的網格作為網格劃分標準，網格劃分之后的有限元模型如圖2所示，其中節點數為192837個，單元數為110007個。

2 有限元靜力學分析

有限元靜力學分析的目的主要是查看在外在合力的作用下，機械結構的變形對設備自身造成的影響以及最大應力是否超出材料自身的最大屈服強度。對檢測支架施加約束，而且對檢測支架添加自身重力和施加相應的作用力，手套漏氣檢測裝置的檢測支架在靜態下的變形和應力分布情況如圖4、5所示。

從檢測支架變形云圖（圖4）可以看出在施加檢測支架自身重力和相應作用力條件下，檢測支架最大變形量為0.009mm，變形量非常小，對檢測精度造成影響可以忽略不計。從檢測支架應力云圖（圖5）可以看出，檢測支架最大應力為4.05MPa、遠遠小于Q235的屈服強度。從有限元靜力學分析結果可以得到檢測支架的承載能力和剛度都能夠滿足要求。

3 模態分析

從圖6可以看出，手套漏氣檢測裝置檢測支架最小固有頻率為57.895Hz，最大固有頻率為461.81Hz，其中2階模態當固有頻率為145.58Hz時，檢測支架變形達到最大為47.385mm，5階模態當固有頻率為308.12Hz時，檢測支架變形值最小，變形值為24.408mm。結合表1可以看出當外部的激勵頻率與檢測支架的固有頻率接近或相同時，檢測支架中部易出現彎曲變形。

4 諧響應分析

諧響應分析是確定一個結構在已知頻率的正弦（簡諧）載荷作用下結構相應的技術，諧響應分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應，且得到一些響應值（通常是位移）對頻率的曲線，從這些曲線上可以找到“峰值”響應，對結構設計、優化及避免產生共振等具有重要意義。

第二部分對檢測支架進行了模態分析，為了探究外部的激勵使檢測支架共振時的變形狀況，在其固有頻率附近施加激勵，使其產生共振，這涉及到動力學分析中的諧響應分析，其動力學微分方程為：

式中m—質量矩陣；c—阻尼矩陣；k—剛度矩陣；？ ？ x—系統中節點的加速度、速度及位移；F（t） sinωt—簡諧力。

前文對檢測支架進行的模態分析，檢測支架在這6階的固有頻率附近都有可能發生共振，所以在50—500Hz之間進行一次掃頻分析，取子步為50個。

以上述分析為基礎，對檢測裝置支架進行諧響應分析，得到了在X軸、Y軸和Z軸3個方向上振幅與頻率之間的關系曲線圖如圖7所示。

從圖7的諧響應分析頻率與振幅關系曲線圖可以看出，在X軸方向上，頻率在186.43Hz、272.56Hz和308.12處幅值較大，且頻率在186.43Hz時達到最大；在Y軸方向上，頻率在186.43處幅值最大；在Z軸方向上，頻率在186.43Hz和272.56處幅值最大。從這些數據可以看出，X，Y，Z三個方向上的響應最大值都在頻率為186.43Hz時達到，為了降低手套漏氣檢測機檢測支架的振動對手套漏氣檢測精度的影響，要避免該頻率附近的外部激勵。

5 結論

通過建立手套漏氣檢測支架模型，先進行靜力學分析，在自身重力和相應作用力條件下，檢測支架最大變形量為0.009mm、對檢測精度造成的影響可以由PLC內部程序設置的修正值予以消除，最大應力為4.05MPa、遠遠小于Q235的屈服強度。再對其進行模態分析和諧響應分析，得到了檢測支架的前6階模態變形云圖（圖6）和頻率與振幅之間的關系曲線圖（圖7），發現在186.43Hz附近，檢測支架最容易出現共振現象，應盡可能避免該頻率附近的外部激勵。

參考文獻：

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[4]張夏琦，王金龍，陳輝，苑成東.基ANSYS Workbench的采煤機聯接架模態分析及優化[J].煤礦機械， 2021， 04-25.

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