CN117113786A - 一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿真技术领域，具体公开了一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，包括如下依次执行的步骤：S1：获取经编机的三维数字化模型；S2：获取所述经编机的各个零部件的结构参数；S3：根据所述经编机的工况，定义各个运动副的运动形式，设置各个运动件之间的接触形式；S4：建立所述经编机的多刚体动力学模型，设置载荷与电机驱动；以及步骤S5‑S8。该优化方法能够针对经编机的结构进行优化设计，从而达到减震降噪的目的，优化效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，具体涉及一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法。
背景技术
经编机广泛应用于各种间隔织物、鞋类材料、妇女内衣、汽车内装饰、产业用等织物的织造。国内企业生产的高速经编机、多梳栉经编机、双针床经编机等设备较好地适应和推动了行业的发展，但在运动精度、稳定性和可靠性等方面与国外同类产品相比还存在一定差距。
目前，国产经编机存在着凸轮连杆机构和整机运行不平稳、振动噪声大等问题，当机台工作转速逐渐提高后，整机将出现较大的振动噪声，一方面将极大影响最终织物的织造质量，另一方面也将导致现场操作工人的不适。因此，有必要系统性分析经编机的动力学振动响应，并基于分析结果优化经编机零部件结构，实现减振降噪。
现有的经编机减振降噪方法多依据工程师经验进行试错改进，改进思路多集中于经编机地脚减震器（隔振器）的匹配设计，不针对机体零部件进行优化，减振降噪的效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对减振降噪效果更好的基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，包括如下依次执行的步骤：
S1：获取经编机的三维数字化模型；
S2：获取所述经编机的各个零部件的结构参数；
S3：根据所述经编机的工况，定义各个运动副的运动形式，设置所述运动副中各个运动件之间的接触形式；
S4：建立所述经编机的多刚体动力学模型，设置载荷与电机驱动；
S5：对所述多刚体动力学模型进行运动学仿真，初步验证模型可靠性，并获取整机质心的速度值和加速度值，计算运行周期内所述各值的最大值、最小值、平均值、标准差和均方根值；
S6：建立经编机整机有限元模型，分析机座模态及振型；
S7：采用等效辐射声功率法对整机进行仿真分析，观察表面高声功率区域，设定所述高声率区域的零部件的减震降噪优化方案，针对性地对所述高声功率区域的零部件进行优化；
S8：根据步骤S7的所述优化方案，重复步骤S5-步骤S7，直至实现最终的减震降噪目标，输出所述经编机的整机结构参数。
优选的，步骤S1中通过所述经编机的原图纸直接生成或对所述经编机进行3D扫描重构获取所述经编机的三维数字化模型。
优选的，步骤S1中在获取所述经编机的三维数字化模型过程中对标准件和曲率过度不合理的沟槽部位进行删除。
优选的，步骤2中获取的所述结构参数包括材料属性和运动形式。
优选的，步骤S7中的所述等效辐射声功率法由如下第一公式定义：
；
其中，为辐射损耗系数，/>为声速，/>为空气密度，/>为结构表面的单元面积，为结构表面的单元法向速度；
的密度由如下第二公式定义：
；
其中，为辐射损耗系数，/>为声速，/>为空气密度，/>为单元法向速度；
定义ERP密度的参考分贝值由如下第三公式定义：
；
其中，为声音的参考功率密度，/>为声音功率密度在频域下的值。优选的，步骤S7中对所述零部件进行减震降噪优化的方式包括增加阻尼片或对所述零部件的结构优化。
通过采用前述设计方案，本发明的有益效果是：由于采用等效辐射声功率法对经编机的振动进行分析，能够发现声辐射时，在结构中最大贡献量的辐射位置，以便于对最大贡献量的辐射位置进行优化设计，使得该分析及优化方法不再依赖设计师或工人的使用经验，相对于采用地脚减震器进行减振降噪，直接对经编机零部件本体进行优化，减振降噪效果更好；利用仿真分析对经编机的振动响应进行快速评价，从而快速实现经编机各部件的优化迭代，有利于正向开发过程的快速设计，节约设计成本。
附图说明
图1为本发明的经编机的三维模型示意图；
图2为本发明的经编机的结构支撑部件的结构示意图；
图3为本发明的经编机的运动动作部件的结构示意图；
图4为本发明的经编机的有限元模型的结构示意图；
图5为本发明的经编机的ERP分布结果示意图；
图6为本发明的经编机的ERP时域变化图；
图7为本发明的经编机的ERP频域变化结构示意图；
图8为本发明的经编机优化后的在不同频率下的ERP值示意图；
图9为本发明的经编机优化后在不同频率下的信号振幅结果示意图；
图10为本发明的优化方法的流程图；
图中：
1、支撑部件；
2、后摆-针床-沉降运动部件；
3、梳栉横移运动部件；
4、动力传动部件。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，如图10所示，包括如下依次执行的步骤：
S1：如图1所示，获取经编机的三维数字化模型；
本实施例中，步骤S1可通过经编机的原图纸直接生成三维数字化模型，或对经编机进行3D扫描重构获取三维数字化模型。
本实施例中，步骤S1中在获取经编机的三维数字化模型过程中对标准件和曲率过度不合理的沟槽部位进行简化；
此处的标准件指的是常规的螺栓、螺母、垫片、轴承，以及对结构影响较小的零件，如横移连杆；本实施例中建立的三维数字化模型仅保留关键运动件和结构件，比如动力传动部件中的电机、转轴、带轮，结构支撑部件中的机座、左右墙板、天桥、横移箱体，后摆、针床，沉降运动部件中的凸轮、连杆和摆臂。
此处简化的意思是虽然这些标准件和沟槽部位在经编机和/或三维数字化模型中存在，但在后续步骤的分析中不进行处理，则删除这些标准件和沟槽部位，避免计算时间太长，能提高计算和分析效率。
S2：获取经编机的各个零部件的结构参数；
本实施例中，步骤S2中获取的结构参数包括材料属性和运动形式，其中，材料属性包括质量密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗剪强度和屈服强度，运动形式包括编织动作先后顺序、摆臂转动形式及角度、杆件滑动形式及行程。
S3：根据经编机的工况，定义各个运动副的运动形式，设置运动副中各个运动件之间的接触形式，比如定义凸轮主动件与凸轮从动件之间的接触形式，建立如图2-图3所示的三维分析模型；
此处经编机的工况指的是经编机在名义转速800 r/min下的工况。
此处的运动副包括固定副、转动副和滑移副。
S4：建立经编机的多刚体动力学模型，设置外部载荷与电机驱动；
本实施例中，基于结构参数、结构形式、质量矩阵、惯量矩阵和刚度矩阵建立经编机的多刚体动力学模型，施加外部载荷与电机驱动，保证仿真时间内凸轮系统运行了至少5个周期。
S5：进行运动学仿真，初步验证模型可靠性，并获取整机质心的速度值和加速度值，并计算运行周期内所述各值对应的最大值、最小值、平均值、标准差和均方根值；
由于凸轮组的振动会通过一系列支承件传递至机座，并最终引起整机的振动，因此对原始机台模型进行仿真，并将振动结果作为对照结果。
本实施例采用如下实例对该优化方法进行说明，其整机质心计算结果如下表1所示：
表1整机质心计算结果
S6：如图4所示，基于三维数字化模型建立经编机整机有限元模型，分析机座模态及振型；
S7：采用等效辐射声功率对经编机整机进行仿真分析，观察其表面高声功率区域，设定所述高声功率区域的零部件的减震降噪优化方案，针对性地对所述高声功率区域的零部件进行优化；
步骤S7中的等效辐射声功率由如下第（1）公式定义：
（1）;
其中，为辐射损耗系数，表征结构表面振动与辐射声功率之间的耦合度，体现结构表面振动在介质中转化为噪声的能力，与结构的振动频率及振型相关；/>为声速；/>为空气密度；/>为结构表面的单元面积，/>为结构表面的单元法向速度。
等效辐射声功率的密度由如下第（2）公式定义：
（2）；
其中，为辐射损耗系数，/>为声速，/>为空气密度，/> ；
等效辐射声功率密度的参考分贝值由如下第（3）公式定义：
（3）；
其中，为声音的参考功率密度，/>为声音功率密度在频域下的值。
本实施例中，步骤S7中对零部件进行优化的方式包括增加阻尼片或对零部件的结构优化。
由上述公式可知，在相同的外界激励及传播介质中，对结构的优化可以改变辐射损耗系数及单元法向速度，从而降低结构的辐射声功率。如果结构不方便进行改动，则可以通过添加阻尼片的方法，降低结构表面的法向速度，也能够降低结构的辐射声功率。
S8：根据步骤S7的优化方案，重复步骤S5-步骤S7，直至实现最终的减震降噪目标，输出所述经编机的整机结构参数。
本实施例中，根据机台名义转速800r/min工况提交计算，可以得到等效辐射声功率ERP分布图。随着凸轮转动，整机等效辐射声功率ERP分布图不断变化，为了展示高声功率ERP区域的分布情况，截取单个周期中的一个关键时刻的ERP分布结果，如图5所示。
从ERP分布图中可以看到，最大声功率区出现在横移座箱盖上，过薄的箱板导致了大的振动噪声，表明该处刚度不足。此外，高声功率ERP分布区集中在天桥、墙板侧、机脚等位置，说明这些结构刚度 需要加强。
提取各个时刻的ERP值，可以得到整个仿真工况下的ERP时域变化图，如图6所示。在仿真初期，整机静置一段时间，此时ERP值都很小。随着电机转速逐渐增大，凸轮开始工作，电机加速期内的ERP值不断增加，并在稳定运行后保持一定规律变化。
对时域数据进行傅里叶变化处理后，可以得到整个仿真工况下的ERP频域变化结果，如图7所示。在名义转速800 r/min的工况下，对辐射噪声贡献最大的激励频率主要在13.3 Hz、40 Hz、80 Hz和120 Hz，可见这几个频率分量下的噪声对整机影响更明显，其中120 Hz频率的激励对主机辐射噪声的贡献最大。
针对各个结构特点，考虑实际使用场景，对箱盖、天桥、墙板、机脚等结构进行了一系列优化设计，包括增加肋板或加强筋、增加壁厚、降低部分冗余尺寸方式。再次提交计算，结果如图8-图9所示。
从整机稳定运行段的时域结果来看，整个时间段内的ERP值均有一定的下降，优化结构后整个工况下的ERP最大值下降了15.5%。对比优化前后的ERP频域结果可以发现，在各个主要激励频率处的幅值都有所下降，在80 Hz处的激励幅值下降最明显，降低了24.0%。
综上所述，本发明通过仿真技术对经编机的振动相应进行快速分析评价，从而快速实现经编机各部件的优化迭代，有利于正向开发过程的快速设计，节约设计成本；同时该优化方法能够针对经编机的结构进行优化设计，从而达到减震降噪的目的，优化效果更好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：包括如下依次执行的步骤：
S1：获取经编机的三维数字化模型；
S2：获取所述经编机的各个零部件的结构参数；
S3：根据所述经编机的工况，定义各个运动副的运动形式，设置运动副中各个运动件之间的接触形式；
S4：建立所述经编机的多刚体动力学模型，设置载荷与电机驱动；
S5：对所述多刚体动力学模型进行运动学仿真，初步验证模型可靠性，并获取整机质心的速度值和加速度值，计算运行周期内所述各值对应的最大值、最小值、平均值、标准差和均方根值；
S6：建立经编机整机有限元模型，分析机座模态及振型；
S7：采用等效辐射声功率对整机进行仿真分析，观察表面高声功率区域，设定所述高声率区域的零部件的减震降噪优化方案，针对性地对所述高声功率区域的零部件进行优化；
S8：根据步骤S7的所述优化方案，重复步骤S5-步骤S7，直至实现最终的减震降噪目标，输出所述经编机的整机结构参数。
2.如权利要求1所述的一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：步骤S1中通过所述经编机的原图纸直接生成或对所述经编机进行3D扫描重构获取所述经编机的三维数字化模型。
3.如权利要求1或2所述的一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：步骤S1中在获取所述经编机的三维数字化模型过程中对标准件和曲率过度不合理的沟槽部位进行删除。
4.如权利要求1所述的一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：步骤2中获取的所述结构参数包括材料属性和运动形式。
5.如权利要求1所述的一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：步骤S7中的所述等效辐射声功率由如下第一公式定义：
;
其中，为辐射损耗系数，/>为声速，/>为空气密度，/>为结构表面的单元面积，/>为结构表面的单元法向速度；
的密度/>由如下第二公式定义：
；
其中，为辐射损耗系数，/>为声速，/>为空气密度，/>为结构表面的单元法向速度；
定义ERP密度的参考分贝值由如下第三公式定义：
；
其中，为声音的参考功率密度，/>为声音功率密度在频域下的值。
6.如权利要求1或5所述的一种基于动力学振动响应分析的经编机的优化方法，其特征在于：步骤S7中对所述零部件进行减震降噪优化的方式包括增加阻尼片或对所述零部件的结构优化。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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