基于夹芯分层的碳纤维复材综框横梁仿真设计.pdf
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1、第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology基于夹芯分层的碳纤维复材综框横梁仿真设计邱海飞(西京学院,陕西西安,710123)摘要:为更好地适应现代织机的高速化发展要求,以一阶剪切变形理论为依据,将一种含夹芯分层的复材横梁应用于碳纤维综框技术升级。利用 WorkBench/ACP 模块开发复材横梁仿真模型,构建基于非对称纤维铺层的层压板设计方案,并通过配装铝合金板材对横梁结构进行强度加固。在考虑弹簧回综力和纱线张力影响的条件下,对复材横梁力学性能进行仿真分析。结果显示:复材横梁的自由振动模式以横向弯曲变形为主,应力集中区主要位于回综弹簧悬挂处;
2、各纤维层的层间应力分布呈现一定对称性,靠近横梁两端区域的应力状态较为明显,而中间蜂窝芯材所受应力影响甚微;弹簧悬挂区各纤维层的失效顺序依次为 0、45、-45、90;主应力 S1是造成纤维层疲劳失效的主要因素。通过将夹芯分层与复材横梁结构设计相结合,有助于复合材料综框的轻量化实现与成本控制,为新型碳纤维综框的发展与性能提升提供了思路。关键词:横梁;综框;层压板;纤维层;蜂窝芯材中图分类号:TS103.33 文献标志码:A 文章编号:1000-7415(2023)09-0022-07Design and simulation of carbon fiber composite crossbeam
3、 for heald frame based on sandwich layeringQIU Haifei(Xijing University,Xian,710123,China)Abstract To better adapt to the high-speed development requirements of modern loom,a composite crossbeam with sandwich lamination was applied to the technology upgrade of carbon fiber heald frame based on the f
4、irst-order shear deformation theory.A simulation model of the composite crossbeam was developed by using WorkBench/ACP module.The laminate design scheme with asymmetric fiber laminates was constructed,the crossbeam was strengthened by assembling aluminum alloy plates.Under the influence of spring fo
5、rce and yarn tension,the mechanical property of the composite corssbeam was simulated and analyzed.The results showed that the free vibration mode of the composite crossbeam was mainly transverse bending deformation,and the stress concentration area was mainly located at the suspension of the return
6、 spring.The interlaminar stress distribution of each fiber layer presented a certain symmetry,and the stress state near the two ends of the crossbeam were more obvious,while the stress of the honeycomb core in the middle was slightly affected.Besides,the failure sequence of each fiber layer in the s
7、pring suspension area was 0,45,-45,90,and the main stress S1 was the important factor causing the fatigue failure of the fiber layer.The combination of sandwich layered and composite crossbeam structure design was conductive to the lightweight realization and cost control of the composite heald fram
8、e,and provided ideas for the development and performance improvement of new carbon fiber heald frame.Key Words crossbeam,heald frame,laminate,fiber layer,honeycomb core在织造生产过程中,综框通过提拉纱线形成不同形状的梭口,长时间的高速往复运动,会使综框不可避免地承受交变载荷影响,进而导致其结构存在较大的疲劳破坏风险。例如,当织机主轴在 800 r/min车速下持续运转时,铝合金综框易出现疲劳性破坏与损伤,由此产生的疲劳裂纹甚至可
9、能造成综框框架断裂,对于织机系统的安全稳定运行是极为不利的1。近年来,随着现代机织技术的高速高精化发展,新型无梭织机(如喷气织机、喷水织机)的车速已高达 1 800 r/min,入纬率亦高达 2 000 m/s2,这种情况下,现代机织设备研究探讨基金项目:陕西省教育厅专项科研计划资助项目(15JK2177);西京学院高层次人才专项基金资助项目(XJ20B09);西京学院横向课题资助项目(2019610002001915)作者简介:邱海飞(1983),男,副教授,收稿日期:2022-12-29】【22第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology对
10、于综框的综合工作性能提出了更高要求。碳纤维复合材料具有比模量和比强度高、抗疲劳性强等诸多优点3。在复合材料综框的设计研发方面,一些国际知名厂商和纺织企业(如瑞士Grob公司、美国 Steel Heddle公司、深圳泰纶公司等)已取得多项进展,并在实践应用中获得了良好评价与认可。同时,行业内的相关科技人员和高校工作者也在复合材料综框的技术探索方面做了不少尝试,例如:MARTIN B 等通过改进综框质量和结构刚性,设计研制出了一种适用于高速喷气织机的复合材料综框4。LEE D G 等采用刚度置换法、有限单元法、真空袋法及锤击法,对碳纤维复合材料综框进行了理论计算和试验研究5。孙亮等对碳纤维/环氧复
11、合材料、铝合金和碳钢综框的工作性能进行了计算和分析6。霍福磊将混杂夹芯结构应用于新型综框的设计与制备,并研究了不同铺层方案和不同增强材料对于综框振动性能的影响7。以往研究和生产实践表明,由碳纤维复合材料制成的新一代综框,不仅能够将相同规格的综框质量减轻约 25%,而且能够大幅降低开口系统惯性载荷与振动噪声,对于织机系统节约能耗、降低磨损具有重要现实意义。综上,本研究提出了一种基于夹芯分层结构的碳纤维复材横梁,并通过有限元建模和动态仿真设计,对其承力性能及失效状态等进行深入探究,为碳纤维综框的轻量化设计与实践应用提供借鉴。1 综框技术要求综框是织机开口系统的核心运动部件,其主体结构呈平面框架形式
12、,如图 1 所示。一套完整的综框组件由多个零部件构成,其中,横梁与侧挡通过装配连接形成综框主体结构,而综丝、穿综杆、综丝夹及导板等则按照开口工艺要求配置于横梁和侧挡之上。在织物成形过程中,纱线通过综眼穿过综丝被分置于综框两侧,并在送经、卷取及开口运动综合作用下形成片纱梭口,进而为引纬和打纬运动做好准备。当综框长时间处于高速往复运动状态时,有可能引发一系列织造生产问题,如疲劳破坏、振动噪声及纱线张力波动等,不利于改善纺织车间环境和保护工人身心健康8。因此,理想的综框必须具备质量轻、强度高和耐疲劳性好等技术特点。2 夹芯分层结构考虑到剪切应力影响,夹芯结构等效力学模型分析常采用一阶剪切变形理论,其
13、他相关理论(如 Ressiner 理论、Hoff 理论)本质上均为夹芯板的一阶剪切理论。经典板壳理论认为,中面法线在板壳变形前后始终为直线且垂直于中面,而一阶剪切变形理论适用于薄板至中厚板,中面法线在变形后仍保持直线,但不一定与中面垂直。复合材料夹芯结构一般由 3 层介质构成,如图 2所示,xOy平面为夹芯结构中面,w 为垂直于中面的芯材厚度方向(即 z方向)。根据一阶剪切变形理论,描述夹芯板结构变形的位移场函数假设9如式(1)所示。u(x,y,z,t)=u0(x,y,t)+zx(x,y,t)v(x,y,z,t)=v0(x,y,t)+zy(x,y,t)w(x,y,z,t)=w0(x,y,t)(
14、1)式中:u、v、w 为 x、y、z 坐标轴方向上的线性位移;x、y为转角位移;t为时间变量。3 复材横梁设计3.1纤维层厚及方向以 ANSYS/WorkBench2020R1 为开发平台,1侧挡;2穿综杆;3上横梁;4综丝夹;5导板;6综丝;7纱线;8下横梁。图 1综框结构分解图图 2夹芯结构示意图】【23第 51 卷 第 9 期2023 年 9 月Cotton Textile Technology通过其 ACP(Pre)模块构建复材横梁数字化仿真模型。根据非对称层压板纤维铺层方案 0/45/-45/90/0/45/-45/90,采用复合材料库中的环 氧 碳 纤 维 预 浸 布 料(Epox
15、y Carbon UD 230 GPa Prepreg)进行铺层设计,如图 3 所示。由于构成复材横梁的层压板基本单元 Stackup 包含 4层碳纤维,其纤维铺层方向为 0/45/-45/90,纤维铺设厚度为 0.2 mm,则单个 Stackup 单元的纤维铺层厚度为 0.8 mm。因此,用于制备复材横梁的非对称层压板可认为是两个 Stackup 单元的叠加组合,其总厚度为 1.6 mm。考虑到轻量化和经济因素,可将复材横梁设计为夹芯结构,如图 4所示。其中,中间层选用正交各向异性弹性蜂窝芯材,外层纤维由两块非对称层压板黏合而成,纤维铺设方向如图中箭头所示。根据综框技术标准FZ/T 9400
16、92018 织机用铝合金综框,设定横梁总厚度为 12 mm,两侧纤维层厚为 6.4 mm,中间层蜂窝芯材的厚度为 5.6 mm。3.2承载计算在织机开口运动过程中,综框会直接或间接承受不同动态载荷作用,如提综力、回综力及纱线张力等。对于消极式开口系统,需通过直吊弹簧来实现回综运动10。以综框上横梁为研究对象,忽略提综力影响,当综框运动至下限位置时,上横梁承载状态如图 5所示,此时,直接作用在上横梁上的载荷包括两部分,即弹簧回综力(F1、F2)和垂直方向的纱线张力(TqL)。根据文献 10,当单根吊综弹簧初伸长 X0=80 mm 时,其实际设计刚度 K=4 015 N/m。已知在梭口满开情况下,
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