基于ANSYS接触分析的滚筒装置干态接触下的清洁效率仿真计算

基于ANSYS接触分析的滚筒装置干态接触下的清洁效率仿真
计算
娄百川;韩旭东;高建东;薛心怡;曾皓帆;耿亚林;于飞;孙鹏飞;贺莹
【摘要】针对滚筒式清洁装置的清洁效率问题,利用ANSYS软件的接触分析结果对干态接触下的清洁效率进行等效估算.同时,利用干态下的清洁仿真效率的定义,可以在尽可能短的周期内实现产品的迭代设计,解决滚筒清洁装置的前期效率校核问题.也解决了在设计中遇到的问题,给设计提供了可靠的理论依据.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2018(000)012
【总页数】5页(P77-81)
【关键词】滚筒式清洁装置;清洁效率;有限元分析;接触分析;干态接触
【作者】娄百川;韩旭东;高建东;薛心怡;曾皓帆;耿亚林;于飞;孙鹏飞;贺莹
【作者单位】青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520;青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛266520
【正文语种】中文
【中图分类】TH123
0 引言
干态清洁状态作为一种最基本的清洁状态，更能体现清洁装置自身的清洁性能，而目前针对滚筒式清洁装置[1]的干态清洁效率却没有给出确定的评测方法。

目前针对此类问题的研究主要集中于以下两方面：一方面针对水流冲击清洗的清洁效率，可以通过fluent对水冲击的特性进行仿真研究，通过对打击力与流量及功
率的关系进行研究，将打击力作为清洁效率的衡量标准进行研究，最后得出结果。

涉及到上述的高压水射流问题的有高压水射流清洁效率分析的仿真实验[2]，小直
径管的清洗效率[3]；另一方面有运用运动学分析的清洁模拟，如针对玻璃幕墙清
洁机器人的步态以及运动学分析[4]。

此类的研究多未涉及到滚筒接触式干态摩擦清洁的效率评价指标。

为了对滚筒式清洁装置的干态清洁效率进行研究。

以滚筒清洁装置为例，首先将其转化为经过简化的力学模型，通过ANSYS的接触分析对其进行研究，从滚筒与被摩擦表面的接触形式入手，对分析模拟结果数据进行处理，并以此结果为依据评价滚筒的清洁效率。

进行多次不同工况的分析计算，计算此评价方案的误差，将误差控制在一定的范围内，从而将此次的分析方案标准化，为以后该行业的设计制造提供一定的评价依据。

1 模型简化与参数计算
1.1 模型简化
计算干态摩擦下的清洁效率所考虑的问题为清洁材料与被清洁表面的接触问题。

在有限元模型中，如果不同的部件之间没有结合在一起，有时还要考虑摩擦力的问题，就有必要在模型中定义接触，称为接触问题[5]。

接触问题为一种高度非线性的模型。

而非线性分析需要使用很多次迭代才能最终求出结果，每次迭代所需要的时间与网格的数据成正相关关系；为了节省求解的时间。

所以在进行非线性分析时，需
要尽可能简化最终模型[6]。

如果可以忽略某个非线性细节，而不影响模型的关键
区域的结果，那么就应该忽略它。

考虑对模型的线性部分，建立子结构，以降低中间载荷或时间增量及平衡迭代所需要的计算时间。

选取的模型为滚筒清洁装置，完整的滚筒清洁装置是由底座、丝杆升降机构、电动机、滚筒和供水机构5部分组成。

为了实现对模型的简化，达到此次分析的目的，尽可能地节省分析时间，排除其他无关参数介入计算的影响，将取滚筒为一个孤立系统，在外力的作用下发生运动，在运动的同时完成滚筒表面清洁材料与被清洁表面的接触、清洁。

图1 滚筒三维建模透视效果
同时，对滚筒轴与滚筒、滚筒与滚筒表面清洁材料设置键合接触，忽略滚筒轴传动过程中的能量损失，以及滚筒表面清洁材料在工作过程中与滚筒发生的相对位移。

为了满足其实际清洁工作条件，在此为其施加实际工作中外力的等效力，模拟经简化后滚筒的受力（忽略空气阻力与传动中的能量损失）。

滚筒透视效果三维建模如图1所示。

1.2 简化模型数学模型建立与参数计算
此滚筒的基本参数包含滚筒（包含表面的清洁材料）质量m,滚筒的直径d，滚筒
与被清洁表面的正压力N，清洁材料与被清洁表面的动摩擦因数μ，滚筒由静止状态至正常工况转速的加速时间t。

参数具体数值如表1所示。

以滚筒为一个孤立的系统，为了满足滚筒正常的运动工况——滚筒正常工况转速为n，工作时由电动
机驱动由下向上做速度为v的匀速上升运动。

此时电动机需要提供给滚筒的驱动
力矩为M，在竖直方向上与重力平衡的支持力为F。

滚筒受力如图2所示。

表1 滚筒工作参数?
图2 滚筒受力
1.2.1 滚筒启动加速至工作转速的过程公式为：
式中：Jz为滚筒的转动惯量，kg·m2;β为滚筒加速过程中的角加速度，
rad/s2;M1为滚筒空转状态下加速所需要的力矩，Nm；m为装满水状态下滚筒的质量，kg；R为滚筒半径，m。

滚筒空转加速过程为匀加速，所以
式中：ω为滚筒的角速度，rad/s；n为滚筒的转速，r/min。

将上述数据代入公式得M1=0.085 N·m。

然而在工作过程中滚筒将受到来自外界的正压力N，在此力的作用下，滚筒将始终保持与被清洁表面的全面接触，所以在滚筒启动过程中将始终受到清洁表面摩擦力的作用，在旋转的过程中，对滚筒而言，将受到大小为M2的摩擦力矩，此力矩方向与滚筒转动方向相反。

所以此工作状态下电动机需要提供给滚筒的驱动力矩为M，如图3所示。

而
代入数值可得出
1.2.2 滚筒正常工况下保持正常转速不变的过程
在正常工况下，滚筒的转速与竖直方向上移动的速度保持恒定，匀速工况下滚筒受力将始终保持平衡，因此此时:
2 基于ANSYS的接触分析
为了应用力学模型和ANSYS接触分析来定义清洁效率，我们将实际情况中被清洁
表面上的污渍等效为三维模型中的11×11个直径为50 mm、厚度为0.1 mm的
薄圆片，在某一工作瞬间滚筒将同时与同一行的11个污渍模拟圆片接触，在模拟滚筒实际工况受力的环境下，通过滚筒与污渍模拟圆片的接触关系判断其是否被清洁干净。

在这里接触关系通过表2定义。

表2 接触关系定义?
如上接触关系在各自区域中将以不同的颜色进行表示，如图7所示。

图3 装配模型
2.1 有限元模型
实验清洁样板设置121个大小统一的圆形薄片作为模拟污渍对象,利用CATIA进行建模，然后将滚筒模型与被清洁样板模型利用CATIA进行装配。

滚筒表面清洁材
料与被清洁表面的污渍模型相切，装配模型如图3。

2.2 材料性能参数
滚筒表面清洁材料与污渍模拟材料均为尼龙（Nylon）[7]，材料性能如表3所示，滚筒筒体与轴的材料均为聚乙烯（Polyethylene）[8],清洁表面材料为标准不锈钢（Stainless Steel），材料性能如表4所示。

2.3 几何修复
表3 材料力学性能参数?
表4 材料力学性能参数?
将该实验模型分为两个组成部分：滚筒部分、实验清洁样板部分。

为了实现滚筒与实验清洁样板各自独立划分网格和各自内部的网格节点共享，对滚筒的组成部分执行From New Part命令，对实验清洁样板（包含121个污渍模拟圆片与背板）执行From New Part命令。

同时对边线进行修复，修复0～1 mm的边线。

2.4 定义零件状态参数
将零件的组成部分重命名并定义各部分的材料，滚筒主体部分与滚筒轴均为聚乙烯
塑料，滚筒表面的清洁材料为尼龙（Nylon），样板材料为不锈钢，表面污渍模拟圆片也设置为尼龙材料。

图4 设置界面处理方式
根据模型实际运动情况将滚筒表面清洁材料与污渍模拟圆片之间的接触设置为摩擦接触，并根据实际情况定义动摩擦因数为0.4，设置算法（Formulation）为拉格
朗日增广算法（Augmented Lagrange）,干涉检测方法（Detection Method）
为程序控制（Program Controlled），设置穿透容差的参数（Penetration Tolerance）为程序控制（Program Controlled）。

图5 滚筒网格划分
同时（Interface Treatment）为允许接触（Adjust to Touch）, 此时界面上存
在的间隙将会自动补偿到进行接触的状态，而对于存在的干涉，将自动消除，如图4所示。

2.5 网格划分
1）滚筒网格绘制。

因为滚筒的表面为规则的圆柱面，受力情况较为简单，无应力集中，为了提高计算速度，对其进行自动网格划分（Automatic Method）。

图6 网格的单元质量统计表
2）清洁样板网格绘制。

为了防止网格出现不良形状，使用三角单元代替四边单元，同时防止网格中出现大的内角，在此采用四面体（Tetrahedrons）网格划分方式
对与滚筒表面清洁材料接触的污渍模拟单元进行网格划分，同时利用高级网格绘制选项进行网格尺寸控制来提高分析结果的精度，选择依据曲率（On:Curvature）
划分的方式,相关性集中（Relevance Center）与扩散角集中（Span Angle Center）选项均设置为“好”（Fine），生成网格。

根据网格的单元质量统计表（如图5、图6）得出网格质量大多数均大于0.5，网
格质量符合分析的要求，经过求解可得出准确度较高的分析结果，其中网格节点
（Nodes）个数为488 954个,网格单元（Elements）数目为316 272个。

2.6 载荷与边界条件
图7 具体接触情况
根据滚筒在被清洁表面的正常工况下的实际运动情况，这里定义清洁实验样板的周围四面为固定约束，同时约束滚筒的平行与样板表面的自由度，释放其余所有自由度。

同时滚筒受到垂直于样板表面的正压力25 N，受到来自样板的摩擦力10 N。

图8 路径构造
图9 得到的部分结果数据
2.7 计算结果
因为接触分析为高度非线性的分析，符合材料的非线性原则，在此次分析中分析结果应符合应变能理论（Von Mises屈服理论）。

在完成求解后依次在结果中添加
整体变形（Total Deformation）、等效应力（Equivalent Stress）等。

具体接触情况如图7所示。

查看路径应力结果：首先构造一条路径，路径由起点与终点两点定义，且此路径与滚筒与样板的接触路径相同，路径构造如图8所示。

在结果中添加路径应力，更改路径中节点的个数为53（必须为奇数）并生成结果，将各个节点的数据记录留作下面进行效率计算的参数。

得到的部分结果数据如图9所示。

3 通过路径应力数据定义清洁效率
在模型的设计上通过平移模拟污渍点的不对称设计，使滚筒在接触中既有完全接触的污渍点，也有不完全接触（一半接触，一半不接触）的污渍点，更加符合实际清洁情况，有的污渍完全在滚筒的清洁范围内，有的不完全在清洁范围内，为了更加贴合实际，设置不完全在清洁范围内的污渍在此次模拟中占总污渍的2/11。

如装
配图，从左至右污渍1与污渍6为滚筒不完全接触污渍模拟点。

表5 数据结果?
同时左右滚筒的理论上受力相同，结果也应相同，但因为污渍圆片的特殊设计，左滚筒的接触情况（1～6）为具有两个不完全接触污渍点1与6，模拟实际情况；同时右滚筒的接触情况（7～11）为滚筒与所有的污渍点完全接触，为最理想的工况。

在此分别计算两滚筒各自的清洁效率，左滚筒为实际清洁效率，右滚筒为理想清洁效率，在完成计算后的滚筒清洁效率为一个范围：实际清洁效率～理想清洁效率。

通过应力来评定典型的截面通常应包括由机械载荷在结构不连续部位产生的、有较高应力强度的那些截面。

ANSYS分析时，通过设置路径来确定典型的评定截面。

首先查找显示在应力强度云图上的高应力强度的区域，且在结构不连续部位选取相对的两个节点，设置贯穿的路径，将数据映射到路径上，对路径再进行线性化处理[9]。

因为接触分析模拟计算的为一个物体在某一个瞬时的接触状态，所以在滚筒的实际运动过程（正常工况）中取一个瞬时，即滚筒正好滚动到污渍模拟点的中心处，设在接触过程中，内应力是促使污渍瓦解的首要因素，排除其他参数的影响。

首先滚筒表面清洁材料与污渍接触挤压、摩擦，促使污渍产生内应力，从而使污渍瓦解，以此为背景来进行进一步的研究。

然后根据前面介绍的路径布置方式，进行求解。

对图8中的结果数据进行分类统计并计算平均应力如表5所示。

根据平均应力结果计算每个“污渍”的平均内力大小，已知污渍圆片半径为R=25 mm，通过公式F=P·S可求得内力F值。

以污渍点1为例：
在这里默认污渍将被清除干净的数量级为0，而污渍点1的内力数量级为-1不符合清洁干净的条件，故污渍点1未清理干净污渍点，而如上结果中的平均应力，数量级至少为-4的平均应力才能达到数量级为0的清洁内力。

同时左滚筒有两个
污渍没有完全接触，因此，左滚筒的清洁效率（实际清洁效率）为4/6即66%，
而此时考虑到上述因素右滚筒的清洁效率为4/5即80%。

此滚动在干接触摩擦清
洁正常工况下的单次清洁效率为66%～80%。

4 误差分析
因为只布置了11个污渍点选取了53个应力数据点，模拟污渍点和选取应力数据
点较少导致了一定的误差，因此，在实际应用中为了保持较高的准确度，可将污渍点布置数量达到121个（单数），同时在选取路径应力上取300或更多个应力数
据点分析，将可以得到更加准确的数据。

上述的分析结果中分为左滚筒和右滚筒，受力情况相同但针对的运动情况不同，左滚筒针对有较多不确定因素的实际情况；右滚筒较为理想，针对理想的运动工况。

因此二者的误差也是分别的独立误差。

相对理想情况的误差，实际情况的误差较大，因此此种干态清洁效率在应用的过程中，允许有着不稳定的浮动下限（实际效率），但上限（理想效率）应尽可能的精确，这样可以使清洁效率的取值范围更有参考价值。

5 结语
上述的清洁效率分析计算仅针对清洁材料与污渍间的干摩擦模拟，并不适用于湿润清洁材料的清洁效率，有一定的局限性。

但仅仅针对干摩擦的清洁效率更能体现清洁装置的固有清洁属性，如将此清洁效率应用于对清洁装置的清洁评价，在湿润状态下的效率可以通过干态清洁效率于一定参数进行运算转换（取决于不同材料的吸水性能）。

模拟中的污渍模型为薄圆片，而在滚筒清洁装置的实际应用中，针对清洁效率的分析结果还受制于污渍模型的形状、大小与正压力，若希望在以后的应用中尽可能地提高模拟的准确程度，应将污渍模型的形状尺寸以及正压力的大小作为参数，与实际产品的实际实验结果相联系，找到最适合模拟分析的污渍模型，可以进一步提高
分析的准确程度。

同时，受到目前分析计算设备的限制，模型设置简单，模拟污渍点的数量小，影响到了计算的准确度。

在今后的应用中还应将污渍的数量增加至较高的数量级，处理大数据，经过分类统计的较大数量级的分析数据可以更好地体现实际的接触状态，在经过效率计算后可以体现更加准确的清洁效率。

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