中間夾持式針板在針刺過(guò)程中的力學(xué)分析

梁振江,鄧 輝,2,張 杰,王慶濤,錢曉明,2

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院, 天津 300387; 2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387 )

0 緒論

針刺機(jī)是針刺非織造布工藝過(guò)程中的加工核心，其主要作用是通過(guò)電機(jī)將動(dòng)力傳遞給帶有刺針的針板，使刺針?lè)磸?fù)多次穿刺纖網(wǎng)，并帶動(dòng)不同纖網(wǎng)層的纖維相互纏結(jié)、抱合、糾纏，以達(dá)到一定的性能[1-3]。針板是針刺機(jī)中不可或缺的組件，針板的工藝參數(shù)直接影響針刺非織造布的產(chǎn)品性能[4-5]。因此，如何快速高效地設(shè)計(jì)出針板的工藝參數(shù)，對(duì)針刺機(jī)的應(yīng)用具有十分重要的意義。

在設(shè)計(jì)制造指定工藝參數(shù)的針板或比較某一參數(shù)不同的針板時(shí)，以往的模擬過(guò)程是將影響結(jié)果的變量逐一帶入，得到一個(gè)較為特殊的抽象模型，然后進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上反復(fù)修改模型和相關(guān)參數(shù)，直至得到在誤差范圍內(nèi)的結(jié)果參數(shù)[6-8]。這種方法受客觀環(huán)境的限制和人為因素的影響，得到的結(jié)果與預(yù)期相差較大。計(jì)算機(jī)仿真模擬是在虛擬的環(huán)境進(jìn)行，依靠計(jì)算機(jī)軟件建立與實(shí)際環(huán)境接近的場(chǎng)景和實(shí)體模型，排除了客觀環(huán)境因素的影響，避免了制造實(shí)體樣機(jī)而造成對(duì)資源的浪費(fèi)，極大提高了設(shè)計(jì)工作者的工作效率，被應(yīng)用于多種領(lǐng)域[9-10]。計(jì)算機(jī)仿真模擬摒棄了對(duì)研究對(duì)象變量逐一分析的傳統(tǒng)分析手段，而采用同時(shí)分析不同參數(shù)對(duì)研究對(duì)象的影響而得到一個(gè)接近客觀實(shí)際的運(yùn)算結(jié)果。

螺栓緊固型針板具有較多的植針孔及少量用于傳動(dòng)固定的螺栓孔，就針板整體來(lái)看，其可分為許多受力單元。要探究針刺過(guò)程中的針板變形，則將這些受力單元統(tǒng)籌規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上施加與實(shí)際情況接近的力學(xué)數(shù)據(jù)、針板尺寸、針板材料、針板植針密度，就能得到在實(shí)際情況下受相關(guān)參數(shù)的影響，針板變形的形變、應(yīng)變、應(yīng)力等具有實(shí)際參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。這對(duì)針刺工藝的技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新具有極其重要的意義。因此，本文對(duì)螺栓緊固型針板在針刺過(guò)程中的變形進(jìn)行探究分析，主要通過(guò)AutoCAD軟件建立模型，并在ANSYS有限元分析軟件上對(duì)針板的不同材料、尺寸、植針密度、布針?lè)绞剿玫降姆抡娼Y(jié)果中的針板應(yīng)力、應(yīng)變、形變分類整理，并進(jìn)行對(duì)比分析，探究在不同的工藝參數(shù)的組合對(duì)針板變形的影響。

1 模型建立及其有限元分析

ANSYS具有強(qiáng)大的有限元仿真模擬分析能力。從對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單一載荷單一變量的靜態(tài)結(jié)進(jìn)行有限元分析到對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多載荷多變量進(jìn)行有限元分析，ANSYS皆可覆蓋。截止2018年1月，ANSYS已經(jīng)更新至18.2版本。但其核心操作流程大體相似，可大致歸為四個(gè)步驟：繪制或?qū)肽Ｐ图皡?shù)設(shè)置、有限元模型建立、施加載荷并計(jì)算、查看計(jì)算結(jié)果并檢驗(yàn)。流程如圖1所示：

圖1 流程圖

為方便統(tǒng)計(jì)和建模時(shí)的完整性，做到模型繪制的不重不漏，本文先從針板材料上將其分為兩類，但有限元分析時(shí)可直接設(shè)置針板材料，故材料的分類并不影響針板實(shí)體模型的繪制。其次再將植針密度分為3000枚/米、4000枚/米、5000枚/米、7000枚/米四類，在此基礎(chǔ)上依次對(duì)比針板長(zhǎng)度1200毫米、1800毫米、2400毫米的針板有限元分析結(jié)果，同時(shí)剔除不符實(shí)際應(yīng)用的針板，即長(zhǎng)度為1200毫米，植針密度為7000枚/米的針板。如表1所示。

表1 針板實(shí)體模型參數(shù)

1.1 針板實(shí)體模型的繪制

以植針密度3000枚/米、長(zhǎng)度1200毫米、寬度600毫米、厚度14毫米的針板模型為例，將其記為1200×600×14-3000(若本文中，有需說(shuō)明針板材料之處，則在其后加附材料即可，如1200×600×14-3000-Mg，表示針板的長(zhǎng)度為1200毫米，寬度為600毫米，厚度為14毫米，植針密度為3000枚/米，針板材料為鋁合金。后不再詳述。)，則其繪制過(guò)程如下：

(1)打開(kāi)AutoCAD2012，將工作空間調(diào)整為“草圖與注釋”。

(2)選擇菜單欄“繪圖”中的矩陣命令，以確定對(duì)角點(diǎn)的方式，在命令欄輸入第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)“0,0” ，點(diǎn)擊回車確定。再輸入對(duì)角點(diǎn)“1200,600”，此時(shí)，面板上將出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)為1200，寬為600的矩形。

(3)繪制螺栓孔。螺栓孔主要分布于矩形針板的四個(gè)矩形角和沿針板幅寬方向的中心軸線的等分點(diǎn)上。選擇菜單欄“繪圖”中的圓繪制指令，以設(shè)定圓心和半徑的具體數(shù)據(jù)方式，在相應(yīng)的指令輸入欄中輸入圓心坐標(biāo)“30,30”，后輸入圓心半徑15。其余位于針板四個(gè)矩形角及針板中心軸線上的螺栓孔以此類推。

(4)選擇植針區(qū)域，繪制植針孔。根據(jù)植針密度和針板尺寸等針板的不同工藝參數(shù)計(jì)算植針孔的行列距離，并做適當(dāng)調(diào)整。以此確定第一個(gè)植針孔的大致坐標(biāo)。不同的植針區(qū)域和繪圖方式均會(huì)使植針孔的坐標(biāo)相異。本例計(jì)算的行距為13.125毫米，列距為10毫米。用(3)中相同方式在，任意位置畫出一個(gè)半徑為1.75毫米的圓，后選擇菜單欄“修改”中的矩陣命令，以計(jì)數(shù)方式，在命令欄中輸入“c”選擇計(jì)數(shù)，再依次輸入行數(shù)15，列數(shù)100，再輸入“s”選擇行列間距，行距13.125毫米，列距10毫米。點(diǎn)擊確定，再將矩陣第7行進(jìn)行移動(dòng)，第2至第6行與之等差移動(dòng)，即可生成植針孔。將其移動(dòng)至針板的適當(dāng)位置，再采用菜單欄“鏡像”中的矩陣命令，以中心軸線為對(duì)稱軸，在針板對(duì)稱的植針區(qū)域生成相同的植針孔[11-12]。

(5)生成面域，點(diǎn)擊菜單欄“繪圖”下拉按鈕，選擇其中的面域命令，再選擇整個(gè)實(shí)體平面圖為對(duì)象，即可生成面域。

(6)將工作空間調(diào)整為“三維建模”。使用菜單欄“實(shí)體編輯”中的布爾運(yùn)算對(duì)針板平面圖進(jìn)行減法運(yùn)算。先選擇針板模型邊沿矩形為被減對(duì)象，后選擇螺栓孔和植針孔為減去對(duì)象，完成布爾運(yùn)算。后使用三維體生成命令，對(duì)針板實(shí)體模型俯視圖進(jìn)行三維衍生，在高度方向上對(duì)其延伸14毫米。此時(shí)針板實(shí)體模型制作結(jié)束，如圖2a所示。

(7)將文件直接輸出為ACIS文件并保存。

a 針板實(shí)體模型

b Mg針板模型

c 針板有限元模型

1.2 選擇仿真模塊

針板的運(yùn)動(dòng)具有類似余弦圖形的具有周期性的特點(diǎn)。為方便研究，本文采用ANSYS Workbench17.0的靜力學(xué)模塊。將針板看做靜止不動(dòng)的參考系，按照物理規(guī)律引相應(yīng)的慣性力。針板在相關(guān)的條件下，自動(dòng)度減少，運(yùn)動(dòng)取向被設(shè)定，再將相關(guān)載荷附之其上，經(jīng)過(guò)仿真模擬分析計(jì)算，即可得出針板變形結(jié)果，從而便于研究針刺機(jī)工作過(guò)程中針板的實(shí)際變形情況。

1.3 選擇針板材料

選擇針板針板材料為有限元分析的第一步，不同材料具因各自力學(xué)表現(xiàn)大相徑庭，故其有限元分析結(jié)果也不盡相同。一般軟件本身首選的材料為結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在其自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中自由選擇搭配。這里以本文研究的1200×600×14-3000-Mg為例。點(diǎn)擊工程數(shù)據(jù)(Engineering Date)，選擇“工程數(shù)據(jù)資源”(Engineering Date Sources)按鈕，將其大綱中的“鎂合金”點(diǎn)擊加號(hào)添加。再次點(diǎn)擊“工程數(shù)據(jù)資源”，刪除其中默認(rèn)材料結(jié)構(gòu)鋼，此時(shí)材料中應(yīng)只有鎂合金存在。設(shè)置完畢后，將該部分在菜單欄關(guān)閉即可。

1.4 導(dǎo)入針板模型

由于本文所研究的針板不具有裝配體，且參考對(duì)象為針板本身。則可直接將繪制完成并保存為ACIS文件的針板模型直接導(dǎo)入。點(diǎn)擊DM按鈕，選擇菜單欄“數(shù)據(jù)”(file)下拉命令中的“導(dǎo)入其他幾何模型數(shù)據(jù)”命令。此時(shí)針板實(shí)體模型已經(jīng)導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，再選“生產(chǎn)”(generate)操作，將導(dǎo)入模型顯示至該界面。設(shè)置模型參數(shù)，將模型操作(operation)設(shè)置為“創(chuàng)建材料并合并到激活體中”(Add Material)，并將模型單位設(shè)置為與繪制模型尺寸數(shù)目相匹配的單位，使模型與實(shí)際尺寸一致。圖2b所示。

1.5 模型網(wǎng)格劃分

針板上有數(shù)量較大的孔隙單元存在。它們將刺針裝配并提供定位作用，所以它們是抵抗針刺力的重要部分，并且直接與針板變形相聯(lián)系。而單個(gè)植針孔受力細(xì)微，對(duì)針板變形的影響微乎其微，但針孔數(shù)量較多，因此不容忽視。同時(shí)考慮到因針板變形而導(dǎo)致刺針運(yùn)動(dòng)角度的更改，故對(duì)其進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分，螺栓孔提供主要的動(dòng)力和約束，為針板提供動(dòng)力并保證針板的力學(xué)平衡，對(duì)針板變形影響極大，同樣采用精細(xì)網(wǎng)格劃分。

點(diǎn)擊model命令。將模型材料賦值(Assignment)為鎂合金。點(diǎn)擊網(wǎng)格劃分命令(Mesh)。將默認(rèn)值(Default)中的網(wǎng)格光聯(lián)性(Relevance)設(shè)置為0，尺寸函數(shù)(Size Function)設(shè)置為曲線/曲面(Cuevature)，相關(guān)性中心(Relevance)設(shè)置為精細(xì)(fine)，其余采用默認(rèn)設(shè)置即可，進(jìn)行網(wǎng)格劃分流程。圖2c所示。

針板的植針密度和針板的尺寸等工藝參數(shù)的影響，網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和有限單元數(shù)目均不同。顯然，兩者的數(shù)目越大，計(jì)算機(jī)網(wǎng)格劃分的時(shí)間也越長(zhǎng)，在本文采用的Windows Server 2012 R2上，1200×600×14-3000針板模型的網(wǎng)格劃分時(shí)間約20分鐘，2400×600×14-7000針板模型的網(wǎng)格劃分時(shí)間約3.5小時(shí)，其余網(wǎng)格劃分時(shí)間均在該時(shí)間段之間，與單元數(shù)呈正相關(guān)。

1.6 加載于針板的力學(xué)參數(shù)及仿真運(yùn)算

完成網(wǎng)格劃分后，下一步便是確定加載于針板相關(guān)的力學(xué)參數(shù)。針板在電機(jī)的帶動(dòng)下具有主動(dòng)力，此力為針板變形的主要來(lái)源。該課題選擇針板為研究對(duì)象，在非慣性系下對(duì)針板進(jìn)行有限元分析。則必須引入慣性力，即刺針?biāo)哂械膽T性力。刺針的針刺力與所選擇的纖網(wǎng)種類有關(guān)，本文選擇克重為120g/m2的滌綸纖網(wǎng)為模擬被刺纖網(wǎng)。根據(jù)牛頓第三定律，刺針的針刺力和慣性力均會(huì)反饋?zhàn)饔糜诼菟咨?。結(jié)合ANSYS Workbench中所帶的時(shí)間函數(shù)，其相關(guān)力學(xué)公式可設(shè)置如下：

(1)針板在電機(jī)的帶動(dòng)下的主動(dòng)力關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：

F=M×32π^2 (cos40πt+0.04cos80πt)

式中，F(xiàn)為所求力；M為所選針板的質(zhì)量；t為時(shí)間，在實(shí)際輸入時(shí)應(yīng)輸入“time”

(2)刺針的作用于植針孔的慣性力關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：

F=-m×n×32π^2 (cos40πt+0.04cos80πt)

式中，m為刺針質(zhì)量；n為所選針板的螺栓孔數(shù)目，其余同上。

(3)刺針的針刺力顯然選取在對(duì)120克/m2的滌綸纖網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)穿刺下，最大的針刺力，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)，選定為3.9962N[8]。

(4)相互作用力。顯然刺針慣性力作用于螺栓孔的反饋力與(2)作用于植針孔的反饋力，其關(guān)于時(shí)間的函數(shù)為：

F=m×n×32π^2 (cos40πt+0.04cos80πt)

刺針針刺力作用于螺栓孔的反饋力與(3)作用于螺栓孔的反饋力等值反向。

(5)添加約束。選擇針板螺栓孔，對(duì)其添加固定約束即可。

基于上述理論分析及相關(guān)參數(shù)的確定，在ANSYS Workbench的model界面中，定義載荷步的結(jié)束時(shí)間(Step End Time)為2.866242秒，自動(dòng)時(shí)間步開(kāi)啟，并由子步定義，初始化步驟為200，最大子步為201。

在分析設(shè)置(Analysis Settings)下，依次添加上述力與時(shí)間的函數(shù)。此處以添加主動(dòng)力為例，在分析設(shè)置下添加均布力(Force)，選定7個(gè)螺栓孔為加載面，將1.6(1)中的公式輸入至?xí)r間函數(shù)處即可。其余力加載方式相同。完成力加載后，再選擇7個(gè)螺栓孔為加載對(duì)象，后添加約束(Fixed Support)。

完成上述設(shè)置后，即可進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)間與針板模型具體工藝參數(shù)密切相關(guān)。如1200×600×14-3000針板的仿真時(shí)間約為50分鐘，2400×600×14-7000的針板仿真時(shí)間約為6小時(shí)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)加載的力有相同的加載位置，如主動(dòng)力、刺針作用于螺栓孔的慣性力、刺針的作用于植針孔的慣性力和刺針針刺力作用于螺栓孔的反饋力；于是將兩者公式相化簡(jiǎn)，最終變?yōu)閮蓚€(gè)力加載于針板之上。這樣仿真參數(shù)得以優(yōu)化，仿真模擬的時(shí)間將得以減少。仿真參數(shù)優(yōu)化后，1200×600×14-3000針板的仿真時(shí)間約為30分鐘，2400×600×14-7000的仿真時(shí)間約為4.5小時(shí)。

待仿真計(jì)算過(guò)程結(jié)束后，在計(jì)算結(jié)果(Solution)中，添加應(yīng)力、應(yīng)變、形變計(jì)算結(jié)果。以便于對(duì)不同工藝參數(shù)的針板進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植針密度對(duì)針板變形的影響對(duì)比

在相同條件下結(jié)合各種針板變形結(jié)果，選擇同一植針密度，不同材料的針板最大尺寸的最大形變、應(yīng)變和應(yīng)力等參數(shù)的影響進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下頁(yè)圖3所示：

a 植針密度對(duì)不同針板材料的形變對(duì)比圖

b 植針密度對(duì)不同針板材料的應(yīng)變對(duì)比圖

c 植針密度對(duì)不同針板材料的應(yīng)力對(duì)比圖

由圖3可知，隨著植針密度的增加針板的形變、應(yīng)變和應(yīng)力值也逐漸增加，在指針密度為7000枚/米時(shí)，三者達(dá)到最大值。針板材料為鎂合金時(shí)，針板形變量的最值為0.16017毫米和0.44058毫米，植針密度差值依次為0.0748、0.05165、0.15396(由相鄰植針密度的較大值減去較小值所得，后同)，每1000枚/米植針密度梯度的形變量百分比為：7.48%、5.165%、7.698%；針板應(yīng)變量的最值為150.5053微米/米和305.53微米/米，植針密度差值依次為17.76微米/米、31.25微米/米、105.99微米/米，每1000枚/米植針密度梯度的應(yīng)變量百分比為：17.76%、31.25%、52.89%；針板應(yīng)力量的最值為6.7677MPa和13.265MPa，植針密度差值依次為0.7009MPa、1.3499MPa、4.4465MPa，每1000枚/米植針密度梯度的應(yīng)力量百分比為：7.009%、13.499%、22.23%。針板材料為鋁合金時(shí)，針板形變量最值為0.10316毫米和0.28242毫米。植針密度差值依次為0.04764、0.03312、0.0985，每1000枚/米植針密度梯度的形變量百分比為：4.764%、3.312%、4.925%；針板應(yīng)變量最值為94.4442微米/米和192.2微米/米。植針密度差值依次為11.458微米/米、19.44微米/米、69.9微米/米，每1000枚/米植針密度梯度的應(yīng)變量百分比為：11.458%、19.44%、34.85%；針板應(yīng)力量最值為6.6995MPa和13.166MPa。植針密度差值依次為0.7051MPa、1.3334MPa、4.428MPa，每1000枚/米植針密度梯度的應(yīng)力量百分比為：7.051%、13.334%、22.14%。

綜上分析，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，針板的形變量、應(yīng)變量和應(yīng)力量差值與植針密度呈線性相關(guān)，且隨著植針密度的增大，三者增加的趨勢(shì)也大幅增加。相對(duì)于其他同等梯度的形變量差值而言 ，在植針密度為4000枚/米至5000枚/米的梯度時(shí)，其形變量差值較??；隨著植針密度的增大，高植針密度的形變量差值雖然與低植針密度的形變量仍保持形似正比列關(guān)系，但其有增大趨勢(shì)。所以，當(dāng)針板需要布設(shè)較高植針密度時(shí)，需要為應(yīng)對(duì)更大的針板變形量而預(yù)留更多的變形空間，使針板變形始終控制住符合針刺機(jī)工藝要求的合理范圍之內(nèi)，從而保證針刺機(jī)的工藝水準(zhǔn)、減少針板變形、提高針板使用時(shí)長(zhǎng)和纖網(wǎng)的質(zhì)量等等；由于該針板的定位方式是螺栓緊固型方式，過(guò)大的應(yīng)變將對(duì)螺栓螺紋造成過(guò)大的磨損，加速螺栓的實(shí)效。相對(duì)于低植針密度的針板設(shè)計(jì)，在對(duì)針板進(jìn)行高植針密度布針時(shí)，螺栓的傳動(dòng)和固定將受到更大的影響，針板的精準(zhǔn)性和使用時(shí)長(zhǎng)也大幅下降；植針密度對(duì)針板變形中的形變、應(yīng)變、應(yīng)力有著顯著的影響。在其他工藝參數(shù)確定的情況下，三者隨著植針密度的加大而對(duì)針板的作用加強(qiáng)。這在理論基礎(chǔ)上是完全能進(jìn)行推理論證的。當(dāng)針板植針孔增多時(shí)，針板單位面積的承載材料越少，針板抵抗變形的能力降低，針板的變形量也會(huì)加大。另外，由于針板單位面積的刺針數(shù)目增加，針刺力和刺針自身的慣性力將增加，故作用于針板的應(yīng)力也就加大了。

2.2 針板的材料對(duì)針板變形的影響

在對(duì)針板變形仿真結(jié)果的分類整理之后，在相同條件下結(jié)合針板形變結(jié)果圖，對(duì)針板材料對(duì)針板變形的形變、應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)的影響進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果如圖4所示：

a 針板材料-形變圖

b 針板材料-應(yīng)變圖

c 針板材料-應(yīng)力圖

由圖4可知，在其他工藝參數(shù)完全相同的情況下，選用鎂合金做為針板材料的針板，形變量和應(yīng)變量均大于相同情況下以鋁合金做為針板材料的針板；但是，兩種材質(zhì)的應(yīng)力值肌膚相同。鎂合金針板的形變最值為0.10043毫米和0.44058毫米，極差為0.34015毫米；應(yīng)變最值為86.524微米/米和305.53微米/米，極差為219.006微米/米；應(yīng)力最值為3.8794MPa和13.265，極差為9.3856MPa。鋁合金針板的形變最值為0.06397毫米和0.28242毫米，極差為0.21845毫米；應(yīng)變最值為54.242微米/米和192.24微米/米，極差為137.998微米/米；應(yīng)力最值為3.8366MPa和13.166MPa，極差為9.3294MPa。由此可知，選擇鋁合金做為針板的材料可以減少針板的形變量，延長(zhǎng)針板的使用壽命，使針刺工藝更加準(zhǔn)確精湛。

值得注意的是：無(wú)論針板材料為何種，當(dāng)植針密度為4000枚/米，針板長(zhǎng)度為1200毫米時(shí)，出現(xiàn)了較為特殊的情況。以鎂合金針板為例，該工藝參數(shù)的針板應(yīng)變?yōu)?53.37微米/米，大過(guò)相同尺寸下，植針密度為5000枚/米的鎂合金針板，其針板應(yīng)變?yōu)?11.66微米/米。將有限元仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，植針密度為4000枚/米的鎂合金針板出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況。圖5為鎂合金針板兩者有限元仿真結(jié)果比較圖。

a 鎂合金針板中心螺栓孔區(qū)域有限元仿真結(jié)果圖

b 鋁合金針板中心螺栓孔區(qū)域有限元仿真結(jié)果圖

通過(guò)圖5我們看出：就整體來(lái)看，1200×600×14-4000-Mg針板螺栓孔周圍的應(yīng)變分布均小于1200×600×14-5000-Mg針板的同等位置應(yīng)變。但前者中間螺栓孔兩側(cè)對(duì)稱僅有兩個(gè)孔來(lái)承擔(dān)較高的應(yīng)力，引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致了較高的應(yīng)變。而1200×600×14-5000-Mg針板則是將應(yīng)力較為均勻地分布于中間螺栓孔區(qū)域，同時(shí)有多個(gè)螺栓孔分擔(dān)了較大的應(yīng)力。所以后者每個(gè)螺栓孔的應(yīng)變較小，而前者的應(yīng)力較大。這是設(shè)計(jì)帶來(lái)的缺陷。

綜上所述，當(dāng)選擇鎂、鋁合金作為針板材料時(shí)，隨著工藝參數(shù)的變化，兩者呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，這為兩者的相互驗(yàn)證提供了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從整體來(lái)看，兩者所受應(yīng)力值相差無(wú)幾。但是鋁合金的形變、應(yīng)變值僅為鎂合金的63%～64%。單從該方面來(lái)看，選擇鋁合金作為針板材料可以延長(zhǎng)針板的使用壽命，減少由于螺栓緊固的針板定位設(shè)計(jì)帶來(lái)的設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，選擇鎂合金作為針板材料也有一定的優(yōu)勢(shì)。鎂合金的密度較小，比強(qiáng)大，強(qiáng)大高，同時(shí)兼具較好的可塑性能。鎂合金將更適合對(duì)針板進(jìn)行高植針密度的設(shè)計(jì)。

2.3 針板的尺寸對(duì)針板變形的影響對(duì)比

在對(duì)針板變形仿真結(jié)果的分類整理之后，在相同條件下結(jié)合針板形變結(jié)果圖，對(duì)針板的幅寬向長(zhǎng)度對(duì)針板變形的形變、應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)的影響進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果如圖6所示：

a 針板尺寸-形變圖

b 針板尺寸-應(yīng)變圖

由圖6可知，隨著針板尺寸的增加，針板形變值、應(yīng)變值和應(yīng)力值也隨之不斷增大，本文選擇的2400毫米長(zhǎng)度的針板形變值明顯最大。針板長(zhǎng)度的梯度為300毫米。在相同梯度下，大尺寸的針板形變、應(yīng)變和應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。鎂合金針板的形變量最值為0.17677毫米和0.44058毫米，形變量差值依次為0.21547毫米、0.04834毫米；應(yīng)變量最值為111.66微米/米和305.53微米/米，應(yīng)變量差值依次為156.27微米/米、37.6微米/米應(yīng)力量最值為6.8981MPa和13.265MPa，應(yīng)力量差值依次為4.7549MPa、1.612MPa。鋁合金針板的形變量最值為0.11262毫米和0.28242毫米。植針密度差值依次為0.21547毫米、0.04834毫米，形變量差值為0.13828毫米、0.03152毫米；應(yīng)變量最值為96.183微米/米和192.24微米/米。應(yīng)變量差值為72.497微米/米、23.56微米/米；應(yīng)力量最值為13.166MPa和6.8251MPa。應(yīng)力量差值為4.7479MPa、1.593MPa。

因此，當(dāng)相同其他工藝參數(shù)相同時(shí)，隨著針板尺寸的不斷增大，針板變形中的形變、應(yīng)變、應(yīng)力也將隨之增大。當(dāng)針板尺寸增大時(shí)，針板本身自重增加，布設(shè)于針板上的刺針數(shù)量也將增加。這都將加劇針板的變形量。本文選擇了等梯度尺寸，經(jīng)有限元仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在1200毫米～2400毫米的范圍內(nèi)，小尺寸的針板在增加相同長(zhǎng)度時(shí)，其所引起的針板變形量增長(zhǎng)幅度會(huì)加大。

3 結(jié)論

本文以中間加持的螺栓緊固型針板作為主要的研究對(duì)象，參考了以往有關(guān)的針板有限元仿真模擬，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，研究針板相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)針刺過(guò)程中的針板變形情況。將針板按照針板材料、幅寬長(zhǎng)度、植針密度等分為20塊參數(shù)不同針板，并使用CAD制圖軟件制成相應(yīng)的三維模型。通過(guò)物理學(xué)非慣性系的相關(guān)規(guī)則，引入慣性力，將針刺機(jī)的針板、刺針、針梁視為滑塊。經(jīng)過(guò)針板模型導(dǎo)入，網(wǎng)格劃分制作有限元模型、相關(guān)力學(xué)載荷加載等操作后進(jìn)行ANSYS Workbench有限元仿真模擬實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針板變形與植針密度成正相關(guān)，且其增長(zhǎng)趨勢(shì)將隨著植針密度增大而愈加明顯；鎂合金針板的形變值和應(yīng)變值均高于鋁合金針板，并且鎂合金針板具有更好的加工性能，更適合應(yīng)用于高植針密度的針板；針板幅寬長(zhǎng)度的增加將直接增大針板的變形量，針板幅寬長(zhǎng)度增加時(shí)，針板本身自重和針板的刺針數(shù)都將隨之變大；針板自動(dòng)、刺針的慣性、針刺力等都將加劇，針板的撓度也會(huì)增加。撓度增加后將加劇刺針與針孔的摩擦，極大影響針刺非織造布的表觀質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)將直接造成斷針現(xiàn)象。針板長(zhǎng)度較大時(shí)，必須對(duì)針板進(jìn)行物理加固，以保證針板的正常工作。