碳纤维仿手工线迹缝合机针力学性能分析及优化设计.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月毛纺科技 :碳纤维仿手工线迹缝合机针力学性能分析及优化设计刘 健,安法金,侯玉秋,王明芳,王程皓,董守骏(天津工业大学 机械工程学院,天津;天津工业大学 工程教学实习训练中心,天津;威海海马地毯集团有限公司,山东 威海)摘 要:针对 厚碳 碳复合材料缝合预制体碳纤维缝合线摩擦起毛和断裂的问题,建立机针缝合预制体的力学模型,求解机针工作时所受应力,根据所用材料的各项属性参数计算缝合机针工作的最小半径,根据机针所用碳纤维缝合线的拉伸强度及折弯半径,对机针开口弯曲半径进行求解,以减小碳纤维缝合线所受的来自于针孔处的剪切力,进而降低碳纤维缝合线的断裂风险。根据所得结果建立机针三维
2、模型,通过 软件对机针和缝合线进行拉伸仿真,实验结果表明:改良后的机针对碳纤维线的剪切应力降低了 ;所设计的机针强度、刚度以及安全系数满足工作要求;通过对针孔形状的优化设计可以降低碳纤维缝合线的磨损情况及断裂风险。关键词:手工线迹缝合;机针;碳纤维;弯曲半径;有限元分析中图分类号:文献标志码:,(,;,;,):,:;收稿日期:基金项目:中国纺织工业联合会高等教育教学改革项目()第一作者:刘健,高级实验师,博士,主要研究方向为 一体化技术、新型纺织机械设计及自动化,:。毛纺科技 第 卷 第 期 年 月 碳纤维复合材料因其强度高、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优点而被广泛应用于航空航天、军事、生物医学等
3、领域。然而,纤维增强复合材料的层间或厚度方向强度低于其二维平面方向强度,受到冲击作用时容易产生分层失效。为了改善复合材料的层间性能,研究人员开发了三维织物成型技术,通过在织物厚度方向引入增强纤维或法向纱线的方法,将二维层合板的层与层之间进行连接,有效阻碍了层间裂纹的扩展,提高了材料的冲击损伤容限。当前,已开发的三维织物成型技术包括三维机织、编织、针织、缝合、等,其中缝合技术是一种低成本叠层织物厚度加固技术,可用于缝合大型制件以及形状复杂、曲率较大的异形件,可大大减轻复合材料的质量。缝合预制体的过程中,机针直接与缝合线接触,会对缝合线造成严重磨损,缝合过程中产生的缝合线的断头和表面毛羽将直接影响
4、复合材料预制体的力学性能。张天成等设计了一种针对 厚碳 碳复合材料缝合预制体的超长机针,解决了超长机针强度不足且容易失稳的问题。姚福林通过分析单边缝合机械手缝合行为中缝合针穿刺过程的力学行为,使用反求法对单边缝合机械手的勾线针参数进行计算,得到了缝针的半径和所受应力的大小,通过有限元仿真方法验证了所设计的缝针满足使用要求。陈晨采用碳纤维丝束表面镀铜的方法,降低碳纤维丝束表面的磨损,通过 软件仿真确定了最佳的表面镀层厚度,并预测出了 镀铜层厚度的碳纤维的耐磨次数。等采用有限元的方法建立了一种模拟针刺非织造布 缝合过程的三维宏观力学模型,研究了针的几何结构对针受力的影响,计算了针的穿刺力。等从织物
5、、缝合线、缝合针 个方面,研究了在穿刺过程中缝合针对织物损伤、缝合针受力的情况,发现 缝合针的针尖越钝,针尖角度也越大,织物内部被切断的纤维更多,针所受到的力也更大。综上分析,国内外科研人员对于复合材料预制体缝合工艺及相应的机针结构做了大量的研究工作,但现有缝合工艺所形成的线迹也存在一些问题,如锁式缝合会产生应力集中,链式缝合会在碳纤维布表面形成较大面积的树脂富集区。手工线迹缝合工艺可实现单根线对织物的缝合,具有无线结、无树脂富集区、应力集中少和力学性能好等优点。因此,本文结合工业特种缝纫机的工作特点,使用 接触理论反求机针的针身半径和针眼形状,将设计好的机针模型导入到 软件中进行仿真分析,优
6、化设计一种适合碳纤维仿手工线迹缝合的机针,以减少碳纤维缝线的表面毛羽量,降低断线率,进而提高生产效率。仿手工线迹缝合原理及机针结构设计 仿手工缝合线迹如图 所示。仿手工线迹缝合装备(如图 所示),大致可以分为针杆机构(包括机针、上勾线机构)、下送线机构、紧线机构(包括夹线器、紧线钩)、下挑线机构、送料机构和下勾线盘。图 仿手工缝合线迹 上勾线机构;送料机构;下勾线盘;紧线钩;机针;下送线机构;下挑线机构;夹线器。图 仿手工线迹缝合整体结构图 仿手工线迹缝合装备的勾线盘工作 圈完成 个循环,如图 所示,其工作原理为:第 圈下勾线盘钩头勾住机针线环,第 圈机针回升勾住缝线并拉出针板形成线环,上勾线
7、钩勾住线环并扩大线环,作为一个过线点,然后机针带着缝线下降,下勾线盘钩头再次勾线,并拉紧缝线。根据仿手工线迹缝合工作原理,在 个工作循第 卷 第 期 年 月毛纺科技 下勾线盘钩头;机针;上勾线钩。图 仿手工线迹缝合工作原理图 环内缝合线需要脱离 次机针,再被机针勾中,这就要求机针针眼必须是半开的,如图 所示。图 机针模型图 机针主要参数求解 机针半径求解 本文所采用的缝合线材质为碳纤维,碳纤维的直径要远大于传统缝合线的直径,故本文所设计的机针直径大于传统机针的直径。机针在工作过程中会受到来自于碳布和缝合线的摩擦力、碳布的挤压力和缝合线的阻力,这要求机针刺布过程所受应力应小于机针材料许用应力,保
8、证机针顺利完成工作。当机针携带缝合线自上往下运动刺穿碳布时,缝合线与针孔上表面接触,当机针从最下端将缝合线勾上来时,缝合线与针孔下表面接触。为保证机针具有足够的抗弯强度,机针的开孔在横向方向上不宜过深,但为了保证机针能够顺利勾线,也不宜太浅。综合考虑针孔深度应在机针中轴线位置,如图 所示,其中 为剖视图;为机针受到的阻力;和 分别代表两根纵轴;为 轴与 轴的交点;为 轴与 轴的距离,即偏心距。根据刚体强度理论,圆形截面惯性矩 为:()式中:为机针直径,。图 机针针孔及其截面示意图 机针开有针孔,根据平行移轴公式,惯性矩可表示为:()()式中:为机针半径,;为 轴与质心轴的垂直距离,。由于针孔开
9、设在机针轴线位置,则 ,机针抗弯截面系数 为:()式中:为截面惯性矩,。机针针孔截面处受到的最大应力 为:()式中:为机针受到的阻力,。为保证机针顺利完成预定的工作要求而不发生变形、断裂等破坏,机针针孔截面处受到的最大应力应远小于机针材料的许用应力,即:()在仿手工线迹缝合过程中,机构提供给机针一个穿刺力使机针顺利穿过碳布,该力可以视为机针施加给碳布的作用力,碳布也会施加给机针一个反作用力。由于机针的针尖部分为圆锥体,使得机针穿过碳布过程中的力学分析十分复杂。如图 所示,机针穿过碳布过程中针头圆锥表面会受到来自碳布的 个力(、)的作用,其中 为圆锥面与碳布之间的滑动摩擦力(),为碳布施加给针尖
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