[发明专利]一种卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化方法

权利要求书

1.一种卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立折页机构无运动副间隙的动力学数学模型，计算折页机构运动一个周期时砍刀臂各截面的应力；

步骤S2，利用ANSYS软件的瞬态动力学模块建立折页机构含运动副间隙的有限元动力学模型，提取折页机构运动一个周期时砍刀臂各截面的最大等效应力；

步骤S3，选定最小安全系数，将步骤S1和S2得到的砍刀臂各截面的应力值与砍刀臂材料的屈服强度进行比较，计算砍刀臂强度安全系数；如果某截面的安全系数小于选定的最小安全系数，需要对该截面进行相应的加厚或加宽；

步骤S4，当砍刀臂满足强度要求时，继续考查其刚度：

利用约束模态分析考察砍刀臂的振动，提取砍刀臂的固有频率和振型；

搭建振动测试系统，对砍刀臂车间作业下的实际振动情况进行测试，采集砍刀臂的垂向加速度；

利用功率谱分析方法获得砍刀臂振动信号的功率谱密度，即工作频率；

步骤S5，将步骤S4中砍刀臂的固有频率和工作频率进行比较，如果固有频率在工作频率的范围内会引起结构共振，则对砍刀臂结构进行拓扑优化；

步骤S6，对拓扑优化后的砍刀臂结构进行约束模态分析，提取砍刀臂固有频率再次与工作频率进行比较，如果仍有共振情况发生，则通过增加杆单元来改变砍刀臂的结构刚度，直到砍刀臂的固有频率与工作频率避开，无共振情况发生为止。

2.根据权利要求1所述的一种卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11，将折页机构简化成四杆机构，折页四杆机构的运动方程为：

上式对时间求二次导，得到加速度关系式为：

式中，L₁为曲柄的长度；φ₁为曲柄与机架的夹角；L₂为连杆的长度；φ₂为连杆与机架的夹角；φ₃为摇杆与机架的夹角；ω₁为曲柄的角速度，ω₂为连杆的角速度，ω₃为摇杆的角速度；α₁为曲柄的角加速度，α₂为连杆的角加速度，α₃为摇杆的角加速度；

步骤S12，对于摇杆进行受力分析，得动力学方程为：

摇杆的质心加速度矢量方程为：

式中，F_Dx和F_Dy是连杆对摇杆的作用力；F_Dx和F_Dy是机架对摇杆的作用力；m₃是摇杆的质量；a_3x和a_3y是摇杆的质心加速度的分量；r₃是摇杆质心到摇杆下顶点的距离；J是摇杆对其下顶点的转动惯量；

步骤S13，砍刀臂某截面的应力为：

式中，σ为砍刀臂截面的应力；A为砍刀臂的截面面积；L为截面到刀体座的距离；Y为形心高度，I为截面对形心轴的惯性矩；L_m为砍刀臂截面以下部分的质心到刀体座的距离，m为砍刀臂截面以下部分的质量。

3.根据权利要求1所述的一种卷筒纸折页机构砍刀臂破坏分析及结构优化方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21，将折页机构的三维模型导入ANSYS软件中，从材料库设置材料属性并赋予至各个结构；

步骤S22，设置各结构的接触类型；

步骤S23，单元类型及网格划分：砍刀臂是薄壁结构，其厚度方向上的尺寸远小于在长度和宽度上的尺寸，因此采用shell181单元进行模拟分析，在Geometry里插入commands，通过APDL命令来设定；其余部分采用solid186单元；以六面体网格为主，四面体网格填补的原则进行网格划分；

S24，设置边界条件：施加系统重力，设置齿轮箱轴的转速，给底座设置固定支撑，为轴承位置设置弹性支撑，以表征齿轮箱轴的微小形变；

S25，选择结构的变形和受力为观察对象进行求解。