CN101364247A - 一种印刷滚筒的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种印刷滚筒的优化设计方法，首先建立有限元分析模型和与之对应的结构静力分析数学表达式KX＝F，将滚筒的工作面周向等间距确定多个位置点，保持每个位置点的印刷压力和重力作用方向之间的夹角不变，通过有限元仿真分析确定各结点的径向位移分量，得到滚筒轴向和周向挠曲曲线，并以此为基础，在滚筒通孔内设计加强筋得到优化的印刷滚筒，进而得到该优化结构印刷滚筒的轴向和周向挠曲曲线，将优化结构滚筒的挠曲变形曲线和原有滚筒的挠曲变形曲线进行对比，进一步优化滚筒的加强筋尺寸，得到优化后的滚筒。采用本发明方法设计的印刷滚筒，不仅改善了滚筒轴向挠曲变形，同时减少了滚筒的周向挠曲变形，极大地提高了印品质量。

Description

一种印刷滚筒的优化设计方法

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，涉及一种印刷机部件的设计方法，特别涉及一种印刷滚筒的优化设计方法。

背景技术

印刷滚筒是一个外圆表面加工有空档或凹槽，并有辐射加强筋的中空圆柱体，是印刷机完成图文转移的关键部件。在印刷机工作过程中，并排设置的两个滚筒由工作面转到空档，再由空档转向工作面，通过适当的印刷压力，将图文载体携带的信息复制到承印物上。

实际印刷中，印刷滚筒在自身重力和印刷压力共同作用下，产生挠曲变形，其最大挠度位于滚筒的中截面处，造成印刷压力沿滚筒轴向分布不均，印刷压力由滚筒中间向两端逐渐增大，而轴向压力不均匀分布是造成印迹发虚的原因之一。同时，滚筒两端过大的压力，使印版的磨损加剧、局部墨量过大、印刷网点增大、进而导致图文失真，影响印刷品质量；此外，由于滚筒体复杂的截面结构，在印刷压力的作用下，滚筒体周向的不同位置产生不同的挠曲变形，使得印刷压力沿印刷滚筒周向分布不均，影响印刷品质量。

为克服滚筒挠曲变形造成的印刷压力分布不均的问题，通常在保持滚筒直径不变的情况下，通过改变滚筒壁的厚度、筋板的厚度和高度以及中心实轴的直径，优化滚筒的截面结构，提高滚筒刚度，以此提高滚筒的抗弯刚度，降低滚筒的挠曲变形。

现有的滚筒结构的优化方法，在定性研究结论下，提出减小滚筒轴向挠曲变形方法，改善了印刷压力轴向分布的不均匀性，但没有解决印刷压力周向分布的不均匀性的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种印刷滚筒的优化设计方法，采用该方法设计的印刷滚筒，在不影响现有印刷滚筒结构尺寸的情况下，不仅有效改善印刷压力轴向分布的不均匀性，同时解决了印刷压力周向分布不均的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种印刷滚筒的优化设计方法，根据有限元仿真分析获得的印刷滚筒轴向和周向挠曲变形曲线，在印刷滚筒的各个通孔内远离滚筒中心轴的一侧沿轴向设计加强筋，各个加强筋径向尺寸根据滚筒周向挠曲变化值确定，并对加强筋形状尺寸进行优化，得到非均匀分布翅型加强筋结构的印刷滚筒，该方法具体按以下步骤进行：

步骤1：在待优化的印刷滚筒上建立有限元分析模型，与之对应的结构静力分析数学表达式为：

KX＝F

式中，K表示结构的刚度矩阵，X为节点位移向量，F为载荷向量；

步骤2：将步骤1所述的待优化的印刷滚筒的工作面沿周向等间距确定n个周向位置点；

步骤3：根据步骤2确定的n个周向位置点，沿待优化的印刷滚筒的轴向等间距确定m个位置点，m为偶数，提取轴向m个位置点处的印刷滚筒的周向挠度值，得到m条滚筒周向挠曲变形曲线；

步骤4：在步骤2确定的n个周向位置点处分别施加印刷压力，相应调整该位置点的重力作用方向，使重力作用方向与印刷压力方向之间的夹角保持不变，将同一周向位置点处印刷压力与重力进行矢量和，该矢量和即为步骤1公式中的载荷向量F；

步骤5：以步骤1公式中的节点位移量X为未知量，根据步骤4中得到的载荷向量F，对待优化的印刷滚筒进行有限元仿真分析，得到分析模型中各个节点的位移量X，然后，提取节点位移量X的指向滚筒中心轴方向的径向分量R，得到滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤6：根据步骤5得到的滚筒轴向和周向挠曲曲线，在印刷滚筒的各个通孔内沿轴向设置与通孔等长的加强筋，加强筋为圆弧形，其径向朝向印刷滚筒的中心轴，加强筋与通孔侧壁连接处采用圆弧光滑过渡连接，各加强筋的径向尺寸与加强筋所在通孔处的挠曲变形量相适应，得到非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒；

步骤7：对步骤6得到的非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒，按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4和步骤5的方法，得到该印刷滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤8：将步骤7得到的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线与步骤5得到的待优化的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线进行对比，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，该结构的印刷滚筒即为优化后的印刷滚筒，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线未趋于平缓，则对该结构的印刷滚筒按照上述步骤进行再次优化设计，直至优化结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，即得到所需优化结构的印刷滚筒。

本发明的特征还在于，

其中步骤2中的周向位置点n取24个。

其中步骤6，各通孔中设置的加强筋的半径沿轴向保持不变。

本发明设计方法的有益效果是，通过有限元仿真分析获得印刷滚筒周向和轴向挠曲变形曲线，在印刷滚筒的各个通孔远离滚筒轴心的一侧表面沿轴向设计加强筋，各个加强筋径向尺寸根据滚筒周向挠曲变化值确定，对加强筋形状尺寸进行优化，最终得到一种非均匀分布翅型加强筋印刷滚筒结构，减小印刷滚筒的挠曲变形，改善印刷压力轴向和周向分布的不均匀性，提高印刷质量。

附图说明

图1是本发明方法建立的印刷滚筒有限元模型；

图2是本发明方法沿印刷滚筒周向划分的位置点示意图；

图3是现有滚筒的挠曲变形三维模型图；

图4是沿现有印刷滚筒轴向等间距确定的点位置示意图；

图5是图4确定的具体位置点的周向挠曲变化曲线图；其中，a是位置点3处的曲线图，b是位置点10处的曲线图，c是位置点20处的曲线图；

图6是采用本发明方法设计得到的印刷滚筒的三维结构示意图；

图7是采用本发明方法设计得到的印刷滚筒与现有印刷滚筒沿轴向确定的具体位置点的周向挠曲变形曲线对比图；其中，a是位置点3处的对比曲线图，b是位置点10处的对比曲线图，c是位置点20处的对比曲线图。

图中，1.通孔，2.加强筋，3.滚筒体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

为克服现有技术存在的、因印刷滚筒挠曲变形引起的印刷压力轴向和周向分布不均，导致的印品质量问题，本发明优化设计方法，在不改变现有印刷滚筒结构和尺寸的前提下，根据有限元仿真分析获得的印刷滚筒轴向和周向挠曲变形曲线，在印刷滚筒的各个通孔外侧表面沿轴向设计加强筋，各个加强筋径向尺寸根据滚筒周向挠曲变化值确定，并对加强筋形状尺寸进行优化，得到非均匀分布翅型加强筋结构的印刷滚筒。

本发明优化设计方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：在待优化印刷滚筒上建立有限元分析模型，与之对应的结构静力分析数学表达式为：

KX＝F

式中，K表示结构的刚度矩阵，X为节点位移向量，F为载荷向量；

步骤2：将上述印刷滚筒的工作面沿周向等间距确定n个周向位置点，n的取值越大，有限元计算量越大，精度越高，因此，在保证设计要求和精度的情况下，n值尽量取小，提高计算速度；

步骤3：根据步骤2确定的n个周向位置点，沿印刷滚筒轴向等间距确定m个位置点，由于滚筒结构轴向对称，m取偶数，根据印刷滚筒的长度和直径确定，通过提取轴向m个位置点处的滚筒周向挠度值，可以得到m条滚筒的周向挠曲变形曲线，为滚筒的结构优化提供依据；

步骤4：由于滚筒通过轴承安装在墙板孔中，在滚筒两侧安装轴承位置添加固定约束条件；齿轮扭矩对滚筒挠曲变形产生的影响很小，在此忽略，只考虑滚筒自身重力和印刷压力的作用，在步骤2确定的周向的每个位置点分别施加印刷压力，并相应调整每个位置点的重力作用方向，使每个位置点的重力作用方向与施加于该位置点的印刷压力方向之间的夹角保持不变，同一周向位置点处印刷压力与重力的矢量和即为步骤1公式中的载荷向量F；

步骤5：以步骤1公式中的节点位移量X为未知量，根据步骤4中合成的载荷向量F，对待优化印刷滚筒进行有限元仿真分析，得到分析模型中各个节点的位移量X，然后，提取位移量X的径向分量R，也就是节点位移量指向滚筒中心轴方向的分量，进而得到滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤6：根据步骤5得到的滚筒轴向和周向挠曲曲线，通过分析滚筒轴向和周向的挠曲变化趋势，在印刷滚筒的各个通孔内沿轴向设置与通孔等长的加强筋，加强筋为圆弧形，其径向朝向印刷滚筒的中心轴，加强筋与通孔侧壁连接处采用圆弧光滑过渡连接，各加强筋的径向尺寸与加强筋所在通孔处的挠曲变形量相适应，得到非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒；

各加强筋的径向尺寸取决于滚筒各通孔处挠曲变形量的大小，挠度值较大处设计大尺寸加强筋，挠度值较小处设计小尺寸加强筋；

步骤7：对步骤6得到的非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒，按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4和步骤5的方法，得到该印刷滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤8：将步骤7得到的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线与步骤5得到的待优化的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线进行对比，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，该结构的印刷滚筒即为优化后的印刷滚筒，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线未趋于平缓，则对该结构的印刷滚筒按照上述步骤进行再次优化设计，直至优化结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，即得到所需优化结构的印刷滚筒。

为便于制造，各加强筋的半径沿轴向方向保持不变。

下面以J2108胶印机的压印滚筒为例，进一步具体说明本发明优化设计方法。

以压印滚筒为对象，在该压印滚筒上建立如图1所示的有限元分析模型，与之对应的结构静力分析数学表达式为：

KX＝F

式中，K表示结构的刚度矩阵，X为节点位移向量，F为载荷向量。

将该压印滚筒的工作面沿周向等间距分为如图2所示的24个位置点，然后，在每个位置点分别施加印刷压力，该印刷压力即为载荷向量F，相应地调整每个位置点处的重力作用方向，使该重力作用方向与印刷压力方向之间的夹角保持一致；以上述公式中的节点位移量X为未知数，对压印滚筒进行有限元分析，得到分析模型中各个节点的位移量X，然后，提取节点位移量X的径向分量R，也就是节点处位移量X指向滚筒中心轴方向的分量，得到如图3所示的压印滚筒的挠曲变形三维模型图。

将压印滚筒沿轴向等间距确定40个点，如图4所示。分析不同点位置处的印刷压力作用于滚筒整圆周工作面时压印区域点的挠度值，得到体现压印滚筒周向印刷压力变化趋势的周向挠度变化曲线。提取如图5a、5b、5c、所示，相对于滚筒轴向划分点3、10、20处的周向挠度变化曲线。从图中可知，对应于滚筒筋板中心位置处的挠度值相对较小，抗弯刚度相对最大，滚筒筋板之间的通孔中心位置处的挠度相对最大，抗弯刚度相对较小；压印滚筒周向位置点14～18之间，滚筒的抗弯刚度最小，对应的滚筒挠曲变形偏大。印刷压力作用在滚筒周向不同位置，滚筒不仅轴向弯曲变形，而且滚筒的周向挠度变化不一致，挠度曲线呈波状起伏，造成滚筒轴向和周向印刷压力分布不均。

根据上述对滚筒轴向和周向挠曲曲线的分析，在印刷滚筒的各个通孔外侧表面沿轴向设计加强筋，各个加强筋尺寸取决于滚筒各个通孔处的挠曲变形量的大小，在挠度值较大处设计大尺寸加强筋，在挠度值较小处设计小尺寸加强筋，得到新的印刷滚筒结构。然后，提取新结构印刷滚筒的挠曲曲线，并将新曲线与原滚筒挠曲线进行对比，改进后滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，表明改进满足要求，得到优化后的新结构滚筒。反之，根据滚筒通孔处挠曲变形量，进一步优化加强筋尺寸，得到优化后的新结构滚筒，重复进行以上步骤。最后得到如图6所示的新结构压印滚筒，该压印滚筒没有改变原滚筒的总体结构和尺寸，只在滚筒体3沿轴向设置的通孔1内添加了圆弧形加强筋2。由于原压印滚筒沿周向产生不均匀挠曲变形，因此各个通孔内加强筋2的半径均不相同，各加强筋2分别与滚筒体3形成的光滑圆弧过渡连接，将加强筋2与滚筒体3固接为一体，为便于滚筒制造，每个圆弧形加强筋2的半径沿滚筒轴向保持不变。

采用本发明方法设计得到的印刷滚筒与现有滚筒沿轴向确定的不同位置点处的周向挠曲变形曲线对比图，如图7a、7b、7c所示。从图中可以看出，采用本发明方法设计得到的印刷滚筒的周向挠曲曲线比现有滚筒的周向挠曲曲线平缓，而且滚筒周向各位置点的挠曲变形都相应减小，说明新结构滚筒的抗弯刚度提高，印刷过程的挠曲变形减小，而且沿轴向不同位置点承受的周向印刷压力趋于一致，很好地改善了印刷滚筒周向印刷压力分布不均的状况，有利于提高印刷品质量。

Claims (3)

1.一种印刷滚筒的优化设计方法，根据有限元仿真分析获得的印刷滚筒轴向和周向挠曲变形曲线，在印刷滚筒的各个通孔内远离滚筒中心轴的一侧沿轴向设计加强筋，各个加强筋径向尺寸根据滚筒周向挠曲变化值确定，并对加强筋形状尺寸进行优化，得到非均匀分布翅型加强筋结构的印刷滚筒，其特征在于，该方法具体按以下步骤进行：

步骤1：在待优化的印刷滚筒上建立有限元分析模型，与之对应的结构静力分析数学表达式为：

KX＝F

式中，K表示结构的刚度矩阵，X为节点位移向量，F为载荷向量；

步骤2：将步骤1所述的待优化的印刷滚筒的工作面沿周向等间距确定n个周向位置点；

步骤3：根据步骤2确定的n个周向位置点，沿待优化的印刷滚筒的轴向等间距确定m个位置点，m为偶数，提取轴向m个位置点处的印刷滚筒的周向挠度值，得到m条滚筒周向挠曲变形曲线；

步骤4：在步骤2确定的n个周向位置点处分别施加印刷压力，相应调整该位置点的重力作用方向，使重力作用方向与印刷压力方向之间的夹角保持不变，将同一周向位置点处印刷压力与重力进行矢量和，该矢量和即为步骤1公式中的载荷向量F；

步骤5：以步骤1公式中的节点位移量X为未知量，根据步骤4中得到的载荷向量F，对待优化的印刷滚筒进行有限元仿真分析，得到分析模型中各个节点的位移量X，然后，提取节点位移量X的指向滚筒中心轴方向的径向分量R，得到滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤6：根据步骤5得到的滚筒轴向和周向挠曲曲线，在印刷滚筒的各个通孔内沿轴向设置与通孔等长的加强筋，加强筋为圆弧形，其径向朝向印刷滚筒的中心轴，加强筋与通孔侧壁连接处采用圆弧光滑过渡连接，各加强筋的径向尺寸与加强筋所在通孔处的挠曲变形量相适应，得到非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒；

步骤7：对步骤6得到的非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒，按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4和步骤5的方法，得到该印刷滚筒的轴向和周向挠曲曲线；

步骤8：将步骤7得到的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线与步骤5得到的待优化的印刷滚筒的轴向和周向挠曲变形曲线进行对比，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，该结构的印刷滚筒即为优化后的印刷滚筒，若具有非均匀分布翅形加强筋结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线未趋于平缓，则对该结构的印刷滚筒按照上述步骤进行再次优化设计，直至优化结构的印刷滚筒的周向挠曲曲线趋于平缓，即得到所需优化结构的印刷滚筒。

2.按照权利要求1所述的印刷滚筒优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中的周向位置点n取24个。

3.按照权利要求1所述的印刷滚筒优化设计方法，其特征在于，所述步骤6，各通孔中设置的加强筋的半径沿轴向保持不变。

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