利用Abaqus对一种针织圆形纬编机沉降片盘支架减重优化分析

针织圆形纬编机，如下图1所示，由于针织大圆机的成圈系统（企业里称作进纱路数或成

圈路数，简称路数）多，转速高、产量高、花形变化快、织物品质好、工序少、产品适应性

强，所以发展很快。

 

 

图 1. 典型大圆机照片

 

大圆机总体上来分具有单面系列和双面系列两大类，其中，普通单面针织大圆机具有单针

道（一个跑道）、两针道（两个跑道）、三针道（三个跑道）、四针道以及六针道机型，现有

在针织企业中大多使用的是四针道单面大圆机。它是利用织针和三角的有机排列组合来编织各种新型面料的。双面针织大圆机就是具有两个针筒的大圆机，就是一个上针筒（俗称针盘）、

一个下针筒，并且是相互垂直配置，即针盘和针筒以90度垂直配置的。普通双面大圆机又称棉毛机、多功能机、万能针织机等，它具有（1+1）针道、（2+2）针道、（2+4）针道以及（4+4）针道。新引进的针织大圆机的企业，为了能生产更多的花色品种，大多以（2+4）针道大圆机为主，它是利用三角和织针的相互排列组合以及纱线排列，来编织生产新型针织面料。

 

1.2 大圆机基本结构

大圆机是由机架、供纱机构、传动机构、润滑除尘（凊洁）机构、电气控制机构、牵拉卷

取机构和其他辅助装置构成。

 

1.2.1 机架部分

针织大圆机的机架式由三只脚（俗称下脚）和一个圆形（也有方形的）台面而组成，下脚

下面由三叉固定，台面（俗称大盘）上面有三根立柱（俗称上脚或直脚），直脚上面安装有纱架座。三只下脚的间隙中安装有安全门（又称保护门）。要求机架必须稳固、安全。它具有下列特点：

 

1) 下脚采用内藏式结构

电动机所有的电气布线、工具等都可以置于下脚内，使机台安全、简洁大方。

2) 安全门具有可靠的功能

当门打开时，机台会自动停止运转，同时在操作板上显示出警示，避免事故的发生。

3) 供纱机构

供纱机构又称送纱机构，包括纱架、储纱器、喂纱嘴、送纱盘、纱圈托架等部件。

 

a) 纱架

纱架用于放置纱线用的。它具有伞式纱架（又称顶式纱架）和落地式纱架两种。伞式纱架占地方小，但不能接备用纱线，适合于地方小的企业使用。落地式纱架具有三角式纱架和墙式纱架（又称两片式纱架）。三角纱架移动起来比较方便，使操作人员穿纱比较方便；墙式纱架排列起来整齐美观，但占地方比较大，放置备用纱线也方便，适合于具有大型厂房的企业使用。

 

b) 输纱器

输纱器用于缠绕纱线有普通输纱器、弹力输纱器（氨纶裸丝和其他纤维纱线交织时候使用的）、电子间隙时储纱器（提花大圆机使用）三种形式。由于针织大圆机编织生产的面料品种不同，采用的送纱方式也不相同，一般有积极式送纱（纱线在储纱器上缠绕10~20圈）、半消极式送纱（纱线在储纱器上缠绕1~2圈）和消极式送纱（纱线不在储纱器上缠绕）三种。

 

c) 喂纱嘴

喂纱嘴又称钢梭子或者导纱器。用于把纱线直接喂到织针上，他的种类形状很多，具有单孔喂纱嘴、两孔一槽喂纱嘴等。

 

d) 其他

送沙盘用于控制针织大圆机编织生产中的喂纱量；纱线托架能托起安装储纱器的大环。

 

1.2.2 编织机构

编织机构是针织大圆机的心脏所在，主要由针筒、织针、三角和三角座（三角座又称鞍

座、沉降片（单面机才具有）等部件组成。

 

1) 针筒

针织大圆机使用的针筒大多是插片式，用于安放织针。

 

2) 三角

三角又称山角、菱角。它是根据针织大圆机编织品种的不同需要，控制织针和沉降片在针

筒槽内做往复运动。三角具有成圈三角（全针三角）、集圈三角（半针三角）、浮线三角（平

针三角）、防串三角（胖花三角）、插针三角（打样三角）五种。

 

3) 沉降片

沉降片又称生克片，是单面机独有的编织机件，用于配合织针正常生产。

 

4) 织针

织针是以同一型号的针锺高低来区分的，它的作用是完成从纱线到织物的工作。

 

5) 三角座

三角座也称作鞍座，用于安放三角。

 

1.2.3 牵拉卷取机构

牵拉卷取机构的作用就是把大圆机所编织下来的针织物从编织区域牵引出来，并且卷绕（或折叠）成一定的卷装形式。牵拉卷取机构包括扩布架（撑布架）、传动臂（墙板）、调节齿轮箱等机件。它的特点如下：

 

1.2.4 传动机构

传动机构是由变平器控制无极变速电动机。电动机采用三角带或者同步带（齿形带）带动

主动轴齿轮，同时传递给大盘齿轮，从而带动针筒载着织针运转，进行编织。主动轴伸到大圆机上面，带动送纱盘按量输送纱线。要求传动机构运转平稳，无噪音。

 

1.2.5 润滑除尘机构

针织大圆机是以一套高速度运转、相互配合的精密体系，由于纱线在编织过程中会产生许多飞花、尘埃，使完成编织的中心部件容易因为飞花和尘埃以及油污造成不畅，严重时会损坏大圆机，所以运转部件的润滑、除尘（清洁）工作也相当重要。

 

1.2.6 电气控制系统

电气控制系统用于完成操作参数的设定、简捷的按钮操作、故障自停指示。

 

1.2.7 附属装置

织针断裂时，探针器会把信号传递给控制系统，大圆机在0.5秒钟左右会停止。还有探布

器，在大圆机上出现脱套现象后，机器会自动停止等等。

 

2. 沉降片支架刚度及外形拓扑优化

图 2 是圣东尼集团开发典型的单面大圆机照片，图中红圈处是大圆机沉降片支架及其上下零部件关系。

 

 

图 2.单面大圆机照片

 

从图 2 中可以看到，如红色圆圈标明，典型的单面大圆机的共有 6 片沉降片支架分别均布于大盘处。而且，对于沉降片，主要是用于承担上面纱架载荷，即纱架 Z 方向重力载荷。该图 2 也从工作原理上，揭示了沉降片支架的载荷及方向。

 

2.1 沉降片支架基本结构

图 3 是典型的沉降片支架 CAD 模型。

 

图 3. 典型沉降片支架 CAD 模型

 

一般来说，沉降片支架由两颗螺栓固定在大盘上（绿色椭圆形为螺栓固定点），紫色为沉降片支架上部结构固定点，也由螺栓连接。该 3 处都有螺栓连接，因此有限元模型建立时，需要使用刚性单元进行多点连接。

 

2.2 沉降片支架网格划分及基本参数确定

由于沉降片支架属于铸件，所以沉降片支架网格划分采用四面体网格。同时，虽然不是强度分析，但是尽量考虑保留倒角、倒圆等细节，因此，单元最小尺寸控制在 3mm 左右，既考虑到计算效率，又保留模型细节及计算精度。

 

由于是刚度分析，所以考虑计算效率和精度，采用 C3D4 单元类型。共划分了 21176 个节点，102500 个四面体单元。材料为球墨铸铁，采用密度 7600Kg/m3，弹性模量为 105GPa，泊松比 0.3 的材料力学特性。垂向（Z 向）载荷为 60N。优化前，原始支架重量为 4.26Kg。

 

表 1 是原始沉降片支架模型有限元网格信息。

 

 

2.3 沉降片支架基本刚度分析结果

通过使用 Abaqus 结构分析软件计算，得到初始模型的垂向变形值为 0.0125mm。

 

3. 沉降片支架外形拓扑优化

由于沉降片的重量过重，所以我们借助达索 Abaqus 和 Tosca 来对原有沉降片支架进行拓扑优化。

 

3.1 沉降片支架拓扑优化参数确定

图 4 是拓扑优化的设计空间。

 

图 4. 拓扑优化的设计空间

 

边界条件约束和原始模型保持一致，载荷依旧是重力方向（Z 向）60N 载荷。拓扑优化的设计空间如图 4 中红色框中所示。

 

 

表 2. 设计空间模型有限元信息汇总表

 

采用最小应变能方法进行优化，分最小体积比取 50%和 70%两种情况进行优化，并对比优化后加载点变形值大小（Z 向）。

 

3.2 沉降片支架拓扑优化结果

图 5 和图 6 分别是 50%和 70%最小体积比得到的拓扑优化结果。

 

图 5. 50%最小体积比拓扑优化结果

 

 

图 6. 最小体积比 70%的拓扑优化后结果

 

 

表 3. 两种拓扑优化结果对比

 

4. 结论

通过达索软件 Tosca 和 Abaqus 的联合结构仿真，使用最小应变能方法得到了不同体积比下的沉降片支架最佳刚度优化结果。

 

结果表明在刚度降低 10%以内的可接受范围内，采用 70%最小体积比的形貌优化最为合适，此条件下，重量减少了 10%。由于沉降片支架对竖向刚度比较敏感，因为 50%体积比的结果刚度下降较大，虽然该条件下重量减少较多，但是该分析刚度是必须保证的变量，所以不采用 50%体积比的结果。

 

关于下一步的分析工作，将在该分析的基础上考虑更多的工况，考虑复杂工况下沉降片支架的刚度和重量的关系。

 

资料来源：达索官方