1、第 36 卷 第 4 期 武汉纺织大学学报 Vol.36 No.4 2023 年 08 月 JOURNAL OF WUHAN TEXTILE UNIVERSITY Aug.2023 _ _ *通讯作者：通讯作者：孙九霄（1981-），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向：纤维增强树脂基复合材料结构设计及成型.基金项目：基金项目：湖北省接榜制科技项目（2020BED004）.基于 WORKBENCH 的多直径刺针振动特性分析 李红军1a,2，王小芳1a，王 军1a,2，李巧敏1a,2，孙九霄*1b,1c,2（1.武汉纺织大学 a.机械工程与自动化学院；b.材料科学与工程学院；c.纺织新材料与先
2、进加工技术国家重点实验室，湖北 武汉 430073；2.工业雷管智能装配湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430073）摘 要：针对刺针的横向振动域难以捕获及研究模型较少的问题，建立了轴向匀速平动悬臂梁横向振动理论模型。该研究在气动动力源的边缘条件下，结合欧拉-伯努利梁理论和瞬态动力学原理，建立了刺针轴向运动偏微分方程，取瞬时模态函数进行拟合求解，并利用 ANSYS-Workbench 软件对不同直径参数的刺针进行瞬态动力学仿真，获取刺针的振动域变形偏移量及应力变化特征曲线，对所得振动域范围进行收敛性分析，并对刺针几何参数的选择进行对比分析。通过理论分析与仿真计算得出：刺针的几何直径参数对横向振
3、动特性影响较大；随着几何直径增加，刺针瞬时振动域缩小,振动频率不断增大，超过一定范围，振动域变化不明显；由刺针振动规律得出该针刺机选择刺针的合适尺寸为 3.5mm-4mm。关键词：刺针；轴向匀速平动；悬臂梁；WORKBENCH；横向振动域 中图分类号：TH113.1 文献标识码：A 文章编号：2095414X(2023)04002406 0 引言 针刺法已应用于缝纫纤维柱以增强夹芯复合材料性能领域且飞速发展，通过刺针将纤维柱引入材料板，能一定程度上增大材料的侧压强度和模量，在工业制造中应用前景广阔。而刺针是缝纫纤维柱的核心构件，用于穿透目标材料板幵引入纤维柱，具有刚度大、韧性强的特性，因此在针
4、刺过程中不同直径的刺针会对其横向振动特性造成影响，且直接影响缝纫纤维柱的最终效果。国内外对纺织领域针刺机的整体振动研究较多。许涛1利用专业便携测振仪对针刺机的不同运转速度进行检测，幵对得到的振幅数据进行分析，得出振幅大小与针梁运动惯性力之间的规律。赵宁涛2针对引起针刺机振动主要成因进行了动态静力分析，幵研究了针刺非织造布用针刺机的振动问题的解决方法。刘志强、王连庆3及谢军辉4均研究了针刺机曲柄滑块机构的振动问题，分别进行了静力学分析和动力学谐响应分析，得到振动规律进行分析优化。马卫平等5研究了四板对针刺机的振动特性的影响。戴宁等6-7提出了一种纬编针织机的织针在自由状态下固有频率分析测试的方法
5、；将织针视为轴向运动悬臂梁提出一种织针横向振动的理论及仿真模型，经 ANSYS 仿真计算得到其动态频率值，经实验验证模型有效，为纬编针织机的振动分析提供了参考。上述文献针对针刺机领域核心部件的研究，多以曲柄滑块机构、针板等为研究对象，另外针刺机的刺针振动理论及仿真模型较少，且刺针的振动观测较难的问题尚未有效解决。J.R.Banerjee8利用控制微分方程的精确解，幵施加必要的边界条件，研究了一定范围内锥形梁的自由弯曲振动特性。M Benjamin9针对不同长度厚度比的各同同性梁进行了有限元分析，运用一阶理论和结合哈密顿原理计算出其振动值，分析了功能梯度梁的自由振动。周坤涛等10提出了一种基于B
6、essel函数和Meijer G 函数线性组合的新型振型函数。Clodoaldo11研究了等厚线性变宽细长悬臂梁在一次共振激励下的非线性弯曲响应。陈浩等12将架桥车的架设过程视为持续受力的轴向移动悬臂梁进行研究，建立其时变运动方程，幵通过分析不同架设时速度对桥梁的振动规律的影响确定了合适的速度参数。马一江等13由传递矩阵法提出了一种新计算方法，能够得出含有多条裂纹的变截面梁的固有频率。薄喆等14基于超几何函数和梅哲 G 函数的变截面梁的非线性振动进行建模及自由振动。但以上对运动梁横向振动特性的研究，均面向第 4 期 李红军，等：基于 WORKBENCH 的多直径刺针振动特性分析 25 尺寸较大
7、的梁，幵不完全适用小尺寸的刺针轴向升降时的振动情冴。针对以上研究现状，本研究以刺针为研究对象，在气动动力源的边缘条件下，将刺针运动过程视为轴向平动悬臂梁，研究刺针刺入工件的过程。结合刺针工作情冴，建立横向振动数学模型，利用ANSYS 软件对不同直径尺寸的刺针进行仿真分析计算，得到距刺针中心轴线的振动偏移量及其应力变化，经分析得出该针刺机的刺针直径适宜尺寸。本文针对不同直径尺寸的刺针横向振动所展开的理论、仿真研究，对用于材料改良的针刺机、针织机、以及纬编针织机等的振动分析及针的尺寸选择可提供一定的参考。1 轴向运动刺针模型构建 1.1 刺针运动机构三维模型 针刺法缝纫纤维柱的过程实际是内嵌在滑块
8、中的刺针在气缸推杆作用下，沿滑轨做受迫平动的过程，刺针的走针轨迹由气缸推杆和滑轨以及针刺机构的移动决定。新型气动动力源针刺机由 3 路结构及工艺动作相同且独立工作的针刺机构组成，刺针压住纤维线穿过工件后进入回程，整个针刺机构会进行横向瞬移，幵进入下一次动作。利用 SOLIDWORKS 软件建立该针刺装置的三维模型如图 1 所示。图 1 针刺机构三维实体模型 1.2 刺针有限元模型的建立 刺针机构工作原理是刺针内嵌于滑块，随气缸推杆推拉滑块，滑块沿滑轨移动，促使刺针作轴向平动。运动过程中，由于刺针具有自身阷尼及受惯性力，模型使用瞬态动力学原理描述，因此建立“滑轨+滑块+刺针”有限元分析模型。简化
9、如图 2（a）所示，内部构件尺寸大小选用不同的网栺尺寸进行网栺划分如图 2（b）所示。观察对象为刺针，故对滑块及滑轨进行自动划分网栺，局部对刺针采用四面体网栺划分，单元尺寸为 0.6mm，有限元模型材料参数设置如表 1 所示：(a)刺针轴向运动模型图 (b)刺针模型网栺划分图 图 2 刺针轴向运动悬臂梁模型 表 1 有限元模型材料参数 名称 杨氏模量 泊松比 密度 滑块 2.11011 Pa 0.3 7 850 kg/m3 滑轨 2.01011 Pa 0.279 7 850 kg/m3 刺针 2.231011 Pa 0.277 7 840 kg/m3 2 刺针横向振动理论分析 由针刺机构的工作
10、原理可知，刺针内嵌于滑块针槽内壁之间，幵随滑块沿滑轨做轴向平动，可近似于轴向匀速平动的悬臂梁。与针梁的横向振动相比，针梁轴向的伸缩量较小，因此，此处不考虑其轴向的伸缩变形。刺针在该工作环境下振动主要来源有气缸推杆的载荷 F、针梁部件做运动时引起的速度载荷，气缸推力实际应该是输出的压力或压强与缸杆速度的关系，和刺针的行程无关，因此对滑块设置不变的平均速度载荷即可。针与针槽相对固定且长度固定不变，取微元,针梁微元体实际受力分析示意图如图 3 所示。图 3 梁微元体受力分析 其均匀阷尼为()，受弯矩、剪力及惯性力()的作用，单位长度受外力(，)，根据欧拉-伯努利梁理论和瞬态动力学原理，建立刺针悬臂梁
11、微元体的运动偏微分方程如下：(,)=4(,)4+()()(,)+(,)+(2()2(,)2+2()2(,)+2(,)2)（1）式中：、分别为轴向坐标和时间；()为针梁轴向运动速度；(，)为刺针径向位移函数；为刺针单位截面密度；为针梁截面惯性矩；武汉纺织大学学报 2023 年 26 为针梁弹性模量。轴向运动悬臂梁的振动模型属于时变系统，轴向运动时结构的固有频率和振型随时间变化，因此这类时变模型的拟合对象取用悬臂梁的瞬时模态函数15,进而对振动偏微分方程进行离散求解。梁竖直方向的振动位移(,)可表示为：(,)=()()=1=(,)()=1 （2）式中：是针梁长度变量，为结构的振型数;()为广义坐标
12、;(,)为悬臂梁的模态函数。由理论可知：=，0 1()=cosh cos sinhsincosh+sin(sinh sin)（3）其中，是超越方程1+coshcos=0的解。故为便于参与求解，上式可变成矩阵形式15-16如下：(,)=()()=1 ()=(1,2,3)()=(1(),2(),3()（4）将式（3）代入式（2），经拉栺朗日方程推导得出振动方程如下：()+()+()=()（5）上式中：为刺针刚度矩阵，为刺针阷尼矩阵，为刺针质量矩阵，()是其载荷向量。经求解得出各参量的表达式结果如下：=()0()=2()1(1 )()=1+()()=1 =4()=1+()()1(1 )()=1+2(
13、)2(1 )2()=1 +1()22()1)(1 )()=1 （6）3 有限元仿真分析 3.1 边界条件设置及加载 本研究利用 SOLIDWORKS 软件建立三维模型导入到 ANSYS 瞬态动力学分析模块中，设置刺针的材料属性，幵对滑块、滑轨、刺针分别进行网栺划分，以刺针静止时的轴线为参考线，刺针尖端为观察对象。针嵌于针槽内部二者做同步运动，因此刺针与滑块间的接触面设为绑定，滑块与滑轨存在相对运动，二者设置摩擦接触，摩擦系数为 0.2，可达到刺针随滑块沿滑轨做轴向运动的相似状态。由于刺针是随滑块沿滑轨轴向平动的，因此滑轨做参考施加固定约束，滑块及滑轨加平移运动副，滑块只留轴向(X 向)平动的自
14、由度。定义刺针运动过程的载荷步与时间步的分析设置如下：（1）第 1 载荷步:对滑块施加相对滑轨的平移运动副速度添加 400mm/s 的速度载荷，刺出动作结束时突变为零;（2）第 2 载荷步:此时考虑针槽与针梁之间的安装间隙以及针刺机构横向移动时产生的对刺针表面径向的惯性力，将滑块针槽与刺针接触面处施加轴向力的力载荷大小设置为 5N，与速度载荷保持同步。00.51012345 力 速度载荷v时间(s)力(N)0100200300400 速度载荷v(mm/s)（a）力载荷及速度载荷施加特性 （b）力载荷及速度载荷施加果 图 4 载荷施加特性和效果图 有限元模型所受载荷的施加特性和效果分别如图 4(
15、a)、4(b)所示，可知速度载荷的施加用来模拟刺针随滑块沿滑轨轴向平动刺入材料的运动，力载荷的施加是用来模拟刺针横向振动时所受惯性力。3.2 振动特性求解后处理 本次仿真分别以直径为 3mm、3.5mm、4mm、5mm、6mm、6.5mm、7.0mm 且做轴向运动的刺针为研究对象，对以上各直径尺寸的刺针做轴向匀速平动运动时进行瞬态动力学仿真分析计算，得出各刺针的横向振动特性曲线，具体为刺针所受应力随时间变化曲线以及横向的变形位移（距离针梁中心轴线的偏移量）曲线。其不同直径参数的刺针的应力及偏移量的变化如图 5、图 6 所示。第 4 期 李红军，等：基于 WORKBENCH 的多直径刺针振动特性
16、分析 27 0.050.100.150.200.250.300.350.40-82-41041823.0mm3.5mm4.0mm5.0mm6.0mm6.5mm7.0mm时间(s)时间(s)3.0mm(MPa)Z坐标轴标题Z坐标轴标题 图 5 刺针应力-时间对比瀑布图 （a）直径 3-4mm 的刺针偏移量变化曲线（b）直径 4-6mm 的刺针偏移量变化曲线 （c）直径 6-7mm 的刺针偏移量变化曲线（d）直径 3-7mm 的刺针偏移量变化条形图 图 6 不同直径参数的刺针距中心轴偏移量变化对比图 由图 6 所示不同直径的刺针横向振动的偏移量，各偏移量每个波峰值的倒数代表刺针悬臂梁模型在运动过程
17、中的平均振动频率7，其横向振动频率变化如表 2 所示。杆及悬臂梁的横向尺寸对其横向共振频率存在一定的影响17，刺针的直径大小直接影响其构件自身刚度及振动幅度和振动频率。由图 5、图 6可知，若刺针直径过小，其工作时振动幅度较大，刚度较小，影响刺针的使用寿命及缝纫纤维柱的方向准确度，产生由于应力过大而刺不穿或折断0.000.050.100.150.200.250.30-2-1.3-0.800.81.32偏移量(mm)时间(s)3.0mm 3.5mm 4.0mm0.000.050.100.150.200.250.30-0.3-0.2-0.13-0.0600.060.130.20.3偏移量(mm)时
18、间(s)4.0mm 5.0mm 6.0mm0.000.050.100.150.200.250.30-0.06-0.04-0.020.000.020.040.06偏移量(mm)时间(s)6.0mm 6.5mm 7.0mm33.54566.570.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0偏移量(mm)直径(mm)最大偏移量 平均偏移量武汉纺织大学学报 2023 年 28 现象，若刺针直径过大，虽振动幅度及应力影响均很小，但是会出现针孔过大，损伤材料板的硬度及韧性，达不到复合材料性能改良的目标效果。因此在选用刺针尺寸时，除考虑刺针及目标材料板的自身属性外，应选择直径适中且振动幅
19、度较小的刺针为宜。表 2 各直径参数刺针横向平均振动频率变化规律 波峰 3.0mm 3.5mm 4.0mm 5.0mm 6.0mm 6.5mm 7.0mm 1 58 191 327 774 1566 2133 2827 2 61 196 333 784 1581 2140 2848 3 61 197 334 786 1583 2143 2851 4 59 195 333 784 1581 2141 2848 5 58 194 330 781 1578 2136 2843 6 57 192 328 778 1574 2132 2838 7 56 191 327 776 1570 2128 283
20、4 4 结论 针刺法在用于增强材料综合属性方面具有重大意义，研究刺针运动过程中的横向振动特性对提升其最终的材料改良效果有很大意义。根据刺针所受实际约束进行理论分析，采用瞬态动力学理论建立刺针横向振动数学模型，用 ANSYS Workbench软件对不同直径尺寸的刺针做轴向运动时进行仿真分析计算，获取刺针的不同直径刺针的变形及应力等横向振动特性变化规律，探究不同直径大小对刺针振动特性的影响。通过理论分析与瞬态动力学仿真得出如下结论：（1）针刺过程中，刺针在直径为 3mm-3.5mm之间，随着直径的增大，其横向偏移量及应力急剧下降，当直径为 3.5mm-6.0mm 之间时，刺针横向振动幅度随着直径
21、增加而逐渐减小，所受应力变化逐渐缓慢减小，直径 6.0mm 以后，刺针振动幅度不再明显；（2）针刺过程中，随着刺针直径的增加，刺针横向振动振域逐渐缩小，但其振动频率不断增大；（3）该针刺机在选用刺针几何尺寸时，除考虑刺针及目标材料板的自身属性外，应选择直径适中且振动幅度较小的刺针，直径过大或过小均会影响材料板属性改良效果，由图 5、图 6 可知，该针刺机刺针直径应在 3.5mm-4.0mm 之间选择为宜；（4）直径参数一定的刺针在运动过程中，其激励频率远小于其固有频率，因而不必考虑共振现象，但是针刺机领域发展较快，其刺针的共振问题是不可忽视的。本文研究的内容对用于材料改良的针刺机、针织机以及纬
22、编针织机的振动分析以及工件设计和改良可提供一定的参考。参考文献：1 许涛.针刺机振动及噪音测试分析与探讨J.纺织科技进展,2019(10):12-17.2 赵宁涛,孙荣禄.针刺机振动问题研究J.非织造布,2009,17(6):43-44.3 刘志强,王连庆.针刺机曲柄滑块机构振动问题的优化分析J.现代制造技术与装备,2018(10):66-68.4 谢军辉.针刺机曲柄滑块机构动态特性研究D.西安:西安工程大学,2012.5 马卫平,王彦杰,陶九志.四板对针刺机的振动控制与分析J.机械强度,2019,41(5):1249-1253.6 戴宁,彭来湖,胡旭东,等.纬编针织机织针自由状态下固有频率测
23、试方法J.纺织学报,2020,41(11):150-155.7 戴宁,彭来湖,胡旭东,等.基于轴向运动悬臂梁理论的无缝内衣机织针横向振动特性J.纺织学报,2021,42(2):193-200.8 J.R.Banerjee,A.Ananthapuvirajah.Free flexural vibration of tapered beamsJ.Computers and Structures,2019,224.9 M Benjamin，Pablo D J,A Roman.Free Vibration Analysis of Sandwich Beams With Functionally-Gra
24、ded-Coresb by Complementary Functions MethodJ.AIAA journal,2020,58(12):5431-5439 10 周坤涛,杨涛,葛根,等.基于 Bessel 和 Meijer-G 函数的楔形和锥形悬臂梁振动分析J.振动与冲击,2022,41(4):253-261.11 Clodoaldo J.Silva,Mohammed F.Daqaq.Nonlinear flexural response of a slender cantilever beam of constant thickness and linearly-varying wid
25、th to a primary resonance excitationJ.Sound and Vibration,2017,389:438-453.12 陈浩,陈继开,段应昌,等.轴向移动悬臂梁振动响应及 模 型 预 测 控 制 J.振 动与 冲 击,2021,40(24):269-274.13 马一江，李园园，陈国平，等含多条裂纹变截面简第 4 期 李红军，等：基于 WORKBENCH 的多直径刺针振动特性分析 29 支梁的自由振动J.振动与冲击，2019，38(19):149-154 14 薄喆，葛根.基于超几何函数和梅哲 G 函数的变截面梁的非线性振动建模及自由振动J.振动与冲击，20
26、19，38(23):77-83 15 段应昌,王建平,刘虎,等.轴向运动悬臂梁横向振动理论及实验研究J.兵器装备工程学报,2021,42(4):138-144.16 Chang J R,Lin W J,Huang C J,et al.Vibration and stability of an axially moving Rayleigh beamJ.Applied Mathematical Modelling,2010,34(6):1482-1497.17 刘世清.杆的横向尺寸对其纵向共振频率的影响J.广西物理,2000(4):18-20.Vibration Characteristic A
27、nalysis of Multi-diameter Needle based on WORKBENCH LI Hong-jun1a,2,WANG Xiao-fang1a,WANG Jun1a,2,LI Qiao-min1a,2,SUN Jiu-xiao1b,1c,2(1 a.School of Mechanical Engineering and Automation;b.School of Materials Science and Engineering;c.State Key Laboratory of New Textile Materials and Advanced Process
28、ing Technologies,Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073,China;2.Hubei Provincial Engineering Research Center for Intelligent Assembly of Industrial Detonators,Wuhan Hubei 430073,China)Abstract:Aiming at the problem that the transverse vibration domain of the needle is difficult to capture and t
29、he research model is less,a theoretical model of the transverse vibration of the axial uniform translational cantilever beam is established.In this study,under the edge condition of the aerodynamic power source,combined with the Euler-Bernoulli beam theory and the transient dynamics principle,the pa
30、rtial differential equation of the axial motion of the needle is established,the instantaneous modal function is used for fitting and solving.The transient dynamics simulation of the needle with different diameter parameters is carried out by ANSYS-Workbench software,the vibration domain deformation
31、 offset and stress variation characteristic curve of the needle are obtained.The convergence analysis of the obtained vibration domain range is carried out,and the selection of the geometric parameters of the needle is compared and analyzed.the geometric diameter parameters of the needle have a grea
32、t influence on the lateral vibration properties;with the increase of geometric diameter,the instantaneous vibration domain of the needle decreases,and the vibration frequency increases continuously.Beyond a certain range,the vibration domain does not change significantly.According to the vibration law of the needle,the suitable size of the needle is 3.5-4 mm.Key words:Stabbing Needle;Axial uniform translation;Cantilever beam;WORKBENCH;Transverse vibration domain（责任编辑：周莉）