碳纤维仿手工线迹缝合机针力学性能分析及优化设计.pdf

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、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（），为碳布施加给针尖圆锥表面的力（其方向垂直于圆锥面）（），为碳布对针尖的压抑力（），这 个力的合力即为机针受到的工作阻力。为机针所受到的来自机构所提供的穿刺力（与 毛纺科技 第 卷 第 期 年 月机针受到的工作阻力的 大小相等、方向相反）（）。为碳布受到针尖锥面的挤压而发生的横向位移（）；为机针的纵向位移量（），即针尖进入碳布的深度；为锥尖半角（）；为环形微体的高度（）；为碳布的厚度（）。图 针尖受力图 文献对机针穿刺碳纤维布时的受力情况进行了详细的受力分析和公式推导，得到公式（）（），其中式（）为作用力 与、和 个作用力合力的关系；式（）为针尖刺入碳布深度 与针尖半角 的关系；式（）为压抑力 与针尖刺入深度 的关系，当针尖全部刺入缝料时压抑力 达到最大值。（）（）（）（）由 接触理论可知，缝料对机针针尖的压抑力可表示为：（）（）（）式中：为碳布的弹性模量，；为针尖表面与碳布的摩擦因数；为材料泊松比；为锥尖半角，（）；为碳布厚度，；为机针针尖与碳布的接触半径，；为 的最大值；为比例系数，由于碳布下层更加紧密，机针挤压碳布纤维所需要的力变大，所以比例系数的大小由碳布的弹性和层数决定。联立式（）（）整理得：（）（）（）由于式（）中方程左边第 项的值远大于第 项的值，所以经整理可得机针半径的计算关系式为：（）（）为保证机针的强度足够大不影响其工作过程，本文加工机针所使用的材料为，为，为 ，为，为，为。将各项数据代入式（）计算得 。针孔参数的计算 机针携带缝合线进行工作时，缝合线除了受到来自碳布和针柄的摩擦力，还受到针孔上、下 个表面剪切力的作用，所以降低机针针孔对缝合线的剪切力是本文研究的重要内容。等对缝合线磨损情况受机针结构的影响进行了相关研究；等通过建立解析模型和实验分析的方法，研究了不同的接触角度情况下单纤维之间或纤维丝束之间摩擦力的关系。要减小碳纤维缝合线受到机针针孔剪切力的大小，就要使缝合线与针孔接触部位的接触面积尽可能大，即针孔的上下表面设计为圆弧形，减小缝合线在针孔上、下表面的弯曲程度。根据 节求出机针半径的范围，机针半径确定为 。针 孔 的 上、下 表 面 设 计 为 半 径 的圆弧面。由于碳纤维缝合线与针孔上表面接触时会发生弯曲，所以缝合线在此处的伸长率应该小于碳纤维的断裂伸长率。缝合线在针孔上表面的弯曲情况如图 所示。图 缝合线弯曲图 根据图中的几何关系，可得以下关系式：（）（）式中：为缝合线的直径，；为机针孔圆弧曲面的半径，；为缝合线贴合在针孔曲面时缝合第 卷 第 期 年 月毛纺科技 线中心面的半径，；为缝合线贴合在针孔曲面时缝合线的外径，。缝合线与针孔上表面接触时，缝合线的内层会收缩，外层会伸长。为保证缝合线在工作过程中不发生断线，缝合线的伸长率必须小于碳纤维缝合线的断裂伸长率，即：（）式中：、分别为缝线内圈、缝线中心圈、缝线外圈近似长度的线段，；当图 中夹角 的值很小时，、的值近似等于弧线的长度。根据相似三角形的关系可得：（）联立式（）（）可得：()（）本文所采用的碳纤维缝合线型号为，根据文献可知，其直径为 ，断裂伸长率为，将上述参数代入式（），可得针孔上表面弯曲半径 。前文所设计的针孔弯曲半径为 ，远大于 ，可以保证碳纤维线在缝合过程中不发生断裂，使得缝合过程顺利进行。有限元模拟及优化 碳纤维丝束模型 是一款功能强大的有限元分析软件，可以解决一系列复杂的线性和非线性问题。在解决非线性问题的能力方面，优于其他有限元软件。因此，在 中建立碳纤维丝束模型，再将模型以 的格式导入 软件中，利用 显示求解器进行求解。碳纤维丝束截面图如图 所示，相关参数计算公式如下：（）（）（）（）（）（）式中：为截面半径，；为截面圆心角，（）；为碳纤维丝束横截面面积，；为截面曲部半宽，；为 直 部 宽 度，；为 纤 维 束 厚度，。图 碳纤维丝束截面图 有限元模型的前处理 根据 节所计算出的机针参数，在 中建立机针模型，导入到 软件中，最后将碳纤维丝束和机针在 进行装配，建立碳纤维丝束钩接有限元模型。由于机针的刚度远大于碳纤维缝合线的刚度，为提高计算效率，在分析过程中可将机针约束为刚体，使之不参与计算。在 中，根据材料方向和刚度之间的关系将材料分为各向同性、各向异性和正交各向异性等类型。本文中的碳纤维纱线属于正交各向异性材料，、分别表示碳纤维纱线、个方向的弹性模量；、分别表示碳纤维纱线、方向的剪切模量；、分别表示 方向作用拉（压）应力引起 方向伸（缩）的泊松比、方向作用拉（压）应力引起 方向伸（缩）的泊松比、方向作用拉（压）应力引起 方向伸（缩）的泊松比。由文献可知、对应的数值，将这 个数值输入 的属性面板中，定义正交各向异性材料的方向，碳纤维材料参数见表。表 碳纤维材料基本力学参数 对机针和碳纤维缝合线进行网格划分，由于机针被约束为刚体，因此无需对其进行网格划分。碳纤维缝合线的网格划分采用完全六面体网格，网格单元类型为（八节点六面体线性减缩积分单元），共 个单元。图 分别为传统机针和本文设计改良机针的碳纤维丝束钩接模型。后处理结果 图 为仿真模型的应力分布，对比传统缝合机针和本文改良机针模型，在相同的位移载荷下，传统机针对碳纤维丝束的最大应力为 ，改良 毛纺科技 第 卷 第 期 年 月图 机针钩接模型 （）；（）后的机针对碳纤维丝束的最大应力为 ，降低了 ，二者的最大应力均在缝合线与针孔顶部相接触的部位，这也就表明改良后的机针可以有效减轻碳纤维缝合线所受到的应力，即改良后的机针缝合性能优于传统机针。图 应力分布 （）；（）结 论 以 厚碳 碳复合材料缝合预制体缝合机针为研究对象，对机针穿刺过程中的受力进行研究分析，以 接触理论为依据，设计了满足缝合 厚碳 碳复合材料缝合预制体的仿手工线迹缝合机针。在有限元仿真计算中，与传统机针相比，本文所设计机针对碳纤维纱线的应力降低 了 ，为 同 类 型 机 针 的 设 计 提 供 了思路。参考文献：，（）：，：，（）：杨宏宇，吴宁，王玉，等 复合材料 缝合技术的研 究 进 展 材 料 导 报，（）：，：，（）：杨龙英，龚家谦，黄当明 缝合参数对缝合复合材料力学性能的影响研究 复合材料科学与工程，（）：，（）：王显峰，高天成，肖军 复合材料缝合技术的研究进展 纺织学报，（）：，（）：潘杰 三维增强复合材料单面双针缝合装备技术研究 南京：南京航空航天大学，：，杨洁，吴宁，李帅，等 织造中碳纤维束间的摩擦磨损试验模拟 摩擦学学报，（）：，（）：张天成，耿争言，董九志，等 碳 碳复合材料预制体缝合机针设计及性能分析 现代制造工程，（）：，（）：姚福林 纺织复合材料单边缝合机械手系统及其缝第 卷 第 期 年 月毛纺科技 合行为研究 天津：天津工业大学，：，陈晨 碳纤维叠层布缝合技术的研究 西安：西安工程大学，：，（）：，：，（）：陈静，王海雷 复合材料缝合技术的研究及应用进展 新材料产业，（）：，（）：苏晓伟 玻璃纤维编织布单边缝合装置和实验研究 武汉：武汉理工大学，：，蒋永生 工程结构设计原理 南京：东南大学出版社，：，黄超，余茜，肖明葵 材料力学 重庆：重庆大学出版社，：，：，：，：王会，殷祥刚，刘红群，等 高温对碳纤维拉伸性能的 影 响 化 工 新 型 材 料，（）：，（）：