移圈针扩圈片安装过程的应力场模拟

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Stress Field Simulation on the Spring Installation Processof Transfer-NeedleCHENG Jing，DING Hao，ZHU Shi-gen(Colege of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)Abstract：To solve the cracking of the punch and the shedding of the spring in the process of springinstallation，influence law of the punchS chamfering radius on the stress value and contact force betweenspring and groove was simulated and analyzed with the finite analysis software of ABAQUS.The resultsshowed that with the increase of the chamfering radius，the stress values in punch followed a wholedescending trend and the contact force gradually decreased.The longest service life for punch and theoptimum installing effect for spring were obtained in the punch with a chamfering radius of 0.1 1 mm。

The results were applied and examined in the actual production of transfer·needle，a punchS service lifeincreased 5 times longer than before，and the springS installation rate reached lOO% 。

Key words：transfer-needle；punch；ABAQUS；stress field；contact stress随着机械技术和电子技术的不断发展 ，电脑横机逐渐取代了手动横机成为羊毛衫生产行业 的主要机种l1]，这对作为电脑横机上标准件之-的移圈针提出了越来越高的质量要求。

目前电脑横机上的装机移圈针大多进口于德国、韩国等生产技术较为成熟的国家，国内移圈针的制造虽已初具规模 ，但移圈针的生产稳定性差，成品率较低。

移圈针工作时需要完成成圈和移圈，因此 ，扩 圈片是不可缺少的关键零件.因针杆和扩圈片性能参数的差异，需要在各 自完成热处理后进行组装.由于两者材料的特殊性以及相关位置精确要求，使得焊收稿 日期：2012-04-09基金项目：十-五”国家科技支撑计划电脑横机移圈针高性能化关键技术研究”资助项目(2007BAF24B04-4)作者简介：程 静(1986-)，女，河南周口人，硕士研究生，研究方向为机械制造及其自动化.E-mail：chengjing04241###126.corn丁 浩 (联系人)，男，副教授 ，E mail：dinghao###dhu.edu.cn东华大学学报 (自然科学版) 第39卷F F ，其 中 F 是扩 圈片侧 面与针杆上安装槽 侧面的接触力.针杆在 方向受到冲头的安装力 F的作用。

扩圈片被安装在针杆上 的安装槽 内，最后被 由冲头在针杆的扩圈片槽侧面压 出的凸点夹紧 ，扩圈片的底面与槽底面-直接触 ，而上表面可能被凸点局部覆盖 ，存在接触关系。

冲头为工字型 ，整体 安装在夹持 系统 中，受 到夹持系统给予的位移边界条件 ，冲头 的底 面与针杆上的扩圈片槽侧面接触，受到针杆对其的反作用力 ，其大小为 F，方 向向上 ；中间部分与扩圈片的上表面接触 ，而接触关 系随着 冲压过程 的进行而产生或消失。

2 数值模拟的关键技术2.1 有限元算法的选用有限元数值分析中，常用的算法有 Lagrangian算 法、Euler算 法、Arbitrary Lagrangian-Euler(AI E)算 法 以及 Smooth Partcle Hydrodynamic(SPH)算法等 ，每-种算法各有优劣 ，所应用的范围也有所不同.如 Lagrangian算法能够非常精确地描述结构边界的运动 ，常用于处理小变形问题，而对于大变形问题 ，由于 自身特点的限制 ，将会出现严重的网格畸变现象 ，不利于计算 的进行.Euler算法是处理大变形问题的-种非常有效的手段 ，但在数值模拟过程中，各个迭代过程中计算数值的精度较低。

在扩圈片安装过程 中，压痕处金属发生 弹塑性变形，属于局部大变形问题.在数值模拟过程 中，此处的六面体网格会发生严重的畸变 ，使计算 由于收敛问题而中断 ，同时由于需要较高的模拟精度，单纯选用 Lagrangian算法或 Euler算法无法解决网格畸变和高精度问题.对于大变形且需要精确模拟 的问题 ，AI E 算 法 是 最 有 效 的算 法.这 种 算 法 兼 具I agrangian方法和 Euler方法 的特长 ，即在模拟过程中网格可以根据定义的参数在求解过程 中适当调整位置，使得网格不会出现严重的畸变，同时又能保证足够的模拟精度，使得计算更高效、更稳定[5 。

针对 AI E方法 的控制方程l6](质量 、动量和能量守恒方程)如式(3)所示 ：- .o - a Iuaz azP警 叫aE . DElD - 十PDf -pwj其 中：f0为密度 ； 为物质速度；叫为对流速度；b为单位体积物体上所受到的力 ； 为柯西应力张量；E为能量 ；t为时间；i和J取值范围为 1和 2。

在数值模拟过程 中，只有当冲头接触到针杆表面并形成压痕的过程中，金属才产生严重的变形，其余过程如冲头从原始位置到开始接触针杆表面以及冲头返回原始位置的过程中，网格均 只产生极小的变形.由于 ALE算法的计算成本较高，因此只在冲头接触到针杆表 面形成压痕 的过程 中采用了 AI E算法，其余过程均采用 I agrangian算法。

2.2 Partition Cel1分割技术实体模 型的离散化是进行数 值模拟 的重要 步骤 ，本文采用 C3D8R单元 类型进行 网格划分.对于安装冲头而言，由于存在大量的倒角使其形状非 常不规则 ，因此在使用智能网格划分功能之前 ，需采用Partition Cel功能对冲头进行分割，将 每-个圆角都当作-个完整的个体分割出来，保证每个个体均是规则的形状.分割后 的冲头 如图 3(a)所示 ，然后采用 C3D8R单元类型进行网格的划分.针杆上虽无圆角 ，但其形状不规范 ，在划分 网格之前，同样需要对模型进行分割，分割后的针杆如图 3(b)所示。

(a)冲头(b)针 杆图 3 冲头和针杆分 割后 的模型图Fig.3 Punch and needle bar for partition对于分割后的零部件，不仅可以选用精度较高的六面体网格 ，而且可以在不 同的区域 布置不 同的网格密度.同时，Partition Cell功能为无法采用智能网格划分的复杂模型的网格划分提供 了-个有效的解决方法。

3 数值模拟结果及分析(3 J 3. 1 安装冲头应力场的模拟在安装冲头宽度为 2.4 mm 和倒角半径为 0.11mm 的条件下 ，用 ABAQUS软件对扩圈片的安装过第2期 刁永发 ，等 ：滤料 负载飞灰CaO吸附剂脱除 Hg。的试验研 究 229Association，2006(1)：32 7-34 7。

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(上接 第 218页)用 寿命与之前相 比提高了近 5倍 ，且 扩圈片的安装牢固率达到 100 。