基于Burgers四元件模型的织机经纱蠕变及横向振动特性研究

第一章 绪论1.1 研究背景和意义21 世纪以来，纺织产品在我国所有加工生产型的产品中占有很大的比重，纺织行业的兴衰对我国经济发展起到巨大的推动作用，同时我国自主研发的纺织机械应用到实际生产中的比重也在逐年变化。我国的纺织工业体系在全亚洲乃至全球范围内都处于领先地位，随着经济全球化的进程不断地推进，2001 年我国加入世界贸易组织，我国纺织工业在国际舞台上的发展空间得到进一步提升，这使得我国纺织工业的优点在国际上得到全面施展，从而加快了我国纺织工业体系和国外纺织工业体系的融合，我国纺织工业体系的国际化进程也得到了进一步提速，由于国产的纺织机械的出口及投入生产的比例相对较少，因此我国在生产加工时大多数都是海外进口的纺织机械[1]。2008 年下半年，全球金融危机爆发，对全球经济产生巨大冲击，我国纺织行业的产值出现了负增长，我国纺织行业步入低谷。自 2009 年上半年开始，结合我国的基本国情，面临的资源环境巨大压力，能源和原材料供应紧张，成本上涨现状，市场青睐于对市场有快速适应能力、以先进适用技术集成应用的、高效节能的高档剑杆和喷气织机，这些新型纺织设备使得我国纺织织造行业已先前步出低谷，纺织行业厂商迎来一轮前所未有的市场热潮[2,3]。二十一世纪初我国的纺织机械在研发上取得了一定的进展，国产设备的应用得到显著提升，但是高档纺织机械与国外先进水平还有较大差距，国外的纺织机械优化已从理论方面着手，为了跟进纺织机械的发展步伐，国产纺机技术在理论上也要有所突破。 现在中国纺织设备技术向更加自动、高速、连续、智能的方向发展，使得现代的技术和之前的技术有了明显的提高，通过科研人员不懈探究，伴随着国家在生产水平上的提高，越来越多高新技术成果出现在市场上。...........1.2 国内外研究现状和发展趋势西方发达国家对织机系统和经纱力学特性进行了多年的理论和试验研究，不断的将研究成果应用到纺织设备中，提高了织物的生产效率，同时织物质量也没有随着生产效率的提高而下降，不断推动了国家纺织行业的发展以及加速经济产值的发展，而我国在这方面的研究起步较晚，虽然也有独自研发的产品，但由于理论水平较国外领先水平相对落后，织机研发水平还远远落后这些发达国家。 国内外对蠕变理论和模拟较为深入的研究。于伟东和储才元认为长链分子聚集起来的纺织纤维是一种弹性体，其力学性能兼有弹性固体和粘性流体的特征，典型的表现是纤维具有应力松弛和蠕变现象[15]。高晓平对织机经纱的蠕变行为进行了分析，分析结果说明Burgers 四元件模型更加符合蠕变试验的拟合结果[16,17]。王新威对 PE-UHMW 纤维拉伸进行蠕变性能测试，其研究结果说明多项式回归方法适用于蠕变性能测试[18]。Asayesh 使用标准三元件模型和 Eyring 模型表示织物的疲劳和蠕变特性[19,20]。Islam 和 Bandara 认为织机停机期间经纱和坯布的蠕变不可恢复伸长是导致织机启动后在机织物表面产生密度不均匀的主要原因[21]。Chen 经过研究认为由于停车期间经纱和坯布产生粘弹性蠕变伸长，当织机启动时，蠕变的伸长不能立即恢复，从而导致织口位置发生变化，以至于产生停机时密度不均匀现象[22,23]。Gupta 和 umar 认为与线性模型相比，非线性粘弹性模型比现行模型更加适宜的表征尼龙长丝的蠕变特性[24]。王良熙对汽车塑料采用有限元仿真，对其蠕变特性采用 Burgers 四元件模型转化为 Prony 级数的方法来计算，其计算结果效果可靠[25]。丁秀丽和刘建采用 ANSYS 数值模拟对岩体结构的蠕变力学效应进行研究，模拟结果蠕变曲线和实验室获现场得到的蠕变曲线基本相似[26]。Sousa 使用广义的的 Maxwell 模型不能很好的模拟粘弹性材料，其数值模拟结果与实际结果不符[27]。 .............第二章 基于粘弹性本构关系的蠕变试验研究经纱是由多根连续长丝捻接而成的聚合物，聚合物的力学行为是强烈依赖于温度和外力作用时间的。在外力的作用下，聚合物材料的性质是介于弹性材料和粘性材料之间，聚合物材料发生形变时应力可同时依赖于应变和应变速率，这种行为叫做粘弹性，显然经纱是一种具有粘弹性的材料。当织机在停机过程中，经纱受到长期的载荷作用，其大分子链的键长和键角会产生形变，形变直线上升，之后通过链段运动产生构象变化(一个化学分子，各原子中连接方式没有不同，只相对中心原子各连接的顺序不同)，形变量缓慢增大，最后使得分子链之间发生质心产生位移，卸载后，大分子链的键长和键角这些次级运动会立即回复，形变直线下降，之后通过构象变化，使熵变造成的形变回复，但是分子链之间发生质心位移是永久的，不能恢复到原始现实[43]。 蠕变是造成经纱在停车期间出现问题的主要原因，因此对蠕变粘弹特性的研究显得十分重要，本章通过蠕变试验对粘弹性模型各元件参数进行提取分析。2.1 粘弹性力学本构模型简介粘弹性力学本构模型是由虎克弹簧(如图 2.1 所示)和服从牛顿粘滞定律的粘壶(如图 2.2所示)组成的模型，高聚物的粘弹性现象能够形象直观的表现出来。不同的粘弹性力学本构模型是由弹簧和粘壶这两个基本元件构成的。 Maxwell 模型[44]是将弹簧和粘壶串联得到的本构模型(如图 2.3 所示)，其中弹簧弹性常数设为 E ，弹簧变形设为1，粘壶粘性常数设为，粘壶变形设为2。当 Maxwell 模型受到应力的作用时，它的总形变和粘弹性元件的受力为： 由方程式 2-(2)可以看出 Maxwell 模型在受到恒定应力作用时其应变-时间的关系。Maxwell 模型存在瞬时变形，应变和时间成正比关系，其形变量将不断增加，这无休止的产生形变与实际织机停机时状况不符。..........2.2 经纱蠕变参数试验纤维在固定载荷作用下，纤维变形随时间而逐渐增加的现象，称为蠕变。在施加恒定拉力后，经纱会进行拉伸蠕变，当应力去除后，经纱会进行蠕变回复，图 2.6 为蠕变及蠕变回复图[45]。蠕变总的伸长包括四部分瞬时弹性伸长、粘弹性(包括换弹性变形和塑性变形)伸长、立即恢复伸长和不可恢复伸长。施加恒定应力时，首先是立即伸长，其次是蠕变伸长。当外载荷去除后，会产生立即恢复，接着是蠕变恢复，最后是部分塑性变形不能恢复。 采用强力仪做经纱的测试试验，实验装置型号为 XL-2 型经纱强力仪(如图 2.7 所示)。XL-2 型经纱强力仪可以做纤维定伸长弹性、循环定伸长弹性、定负荷弹性、循环定负荷弹性、松弛、蠕变等试验，测试方法符合国际化学标准化局的要求，适宜弹性经纱性能测试。可用于合成纤维单丝、氨纶、锦纶、涤纶长丝、合股复丝和变形丝的断裂强力和断裂伸长的测试。XL-2 型经纱强力仪结构精密，测试精度高，性能稳定。采用气动夹持经纱试样，操作方便，可降低劳动强度，提高试验工作效率。

............第三章 经纱蠕变特性有限元仿真 ............ 233.1 粘弹性本构理论基础 ..... 233.2 四元件模型参数在 ANSYS 中的实现 ..... 263.2.1ANSYS 中粘弹性计算形式 ............ 263.3 蠕变试验的数值仿真 ..... 283.3.1 模型建立及网格划分 ............ 283.3.2 网格划分 ..... 293.3.3 加载及求解 .......... 293.3.4 数值仿真结果对比分析 ........ 303.3.5ANSYS 数值仿真分析 ........... 313.4 本章小结 ....... 33第四章 粘弹性经纱非线性横向振动特性研究 .......... 344.1 经纱动力学建模 .... 344.1.1 经纱模型 ..... 354.1.2 经纱几何微段模型 ....... 364.1.3 经纱振动的数学模型 ............ 374.2 基于经纱模态的 Galerin 截断 ....... 404.3 仿真分析各参数对横向振动的影响 ........ 404.4 本章小结 ....... 49第五章 总结与展望 ......... 515.1 总结 ...... 515.2 展望 ...... 51第四章 粘弹性经纱非线性横向振动特性研究经纱张力由两部分构成，分别是经纱静态张力和经纱动态张力，经纱静态张力可通过弹簧或者重物根据织造要求施加，经纱动态张力是由开口运动引起的，例如经纱张力大小与经纱伸长量关于，同时经纱伸长量与织机开口运动的开口高度关于，在开口高度确定的情况下，相对应的开口深度越大，经纱的张力也会随之减小[51]。经纱在高速运动的同时还受到织机系统的耦合作用影响，这使得对经纱动态特性的研究显得更重要。 国内外研究经纱振动特性的问题是将其转化为梁、弦线和传送带的振动问题，如今研究梁、弦线和传送带的文章有很多，大部分文章对轴向运动粘弹性梁、弦线和传送带的研究都是根据elvin粘弹性模型应力应变关系建立非线性动力学方程，对于相对较为复杂的粘弹性模型来建立非线性动力学方程的文献还没有，本文采用对经纱进行蠕变特性研究中使用的 Burgers 四元件模型对经纱动力学模型进行非线性动力学分析。4.1 经纱动力学建模工程系统动力学模型的三种建立方法分别是[52]： (1)分析力学方法：分析力学通过用广义坐标为描述质点系的变数，运用数学分析的方法，研究宏观现象中的力学问题，它是是理论力学的一个分支。分析力学是独立于牛顿力学的描述力学世界的体系，分析力学的基本原理可以由牛顿运动三定律之间的相互关系推出。分析力学主要是根据虚功原理和达朗伯原理推算的，虚功原理是分析静力学的基础，结合虚功原理和达朗伯原理可得到动力学普遍方程，从而导出分析力学各种系统的动力学方程。例如刚体、弹性体、流体等以及它们的综合体都可看作质点系，质点数可多可少。分析力学对于具有约束的质点系的求解更为便捷，由于有了约束方程，其系统的自由度就可减少，运动微分方程组的阶数随之降低，更易于求解。 (2)多刚体动力学方法：多刚体动力学分为涵盖建模和求解两个阶段，其中建模包括从几何模型形成物理模型的物理建模、由物理模型形成数学模型的数学建模两个过程，求解阶段需要根据求解类型(运动学/动力学、静平衡、特征值分析等)选择相应的求解器进行数值运算和求解。.............总结文首先对织机经纱蠕变特性进行了理论分析和试验测试，得出表征蠕变特性的最优模型，其次利用 ANSYS 有限元仿真软件对蠕变特性进行仿真计算，最后采用 Burgers 四元件模型对经纱横向振动进行数值仿真。通过试验研究和理论计算，可以得出以下结论：1.通过分析三元件模型和 Burgers 四元件模型都能反映瞬时弹性变形和缓弹性变形，对不同线密度棉质经纱做蠕变试验，拟合实验数据，其中 Burgers 四元件模型拟合度更高，更符合描述经纱蠕变伸长，Burgers 四元件模型各元件参数的数值是随着棉质经纱线密度的增大而增大。在实际生产中，不仅仅是棉质经纱，可以将这种方法应用到各种不同材料类型的经纱上，通过蠕变方程的求解，得到经纱应变和时间的关系，根据经纱的品种、织机上经纱的张力和停机时间求解经纱的蠕变伸长，为重新开机时织口定位控制提供理论支撑。2.通过进行 ANSYS 有限元数值仿真对蠕变特性计算，对四种棉质经纱试验数据、拟合数据和 ANSYS 数值仿真结果进行比较，说明数值仿真模拟的精度很高，其结果表明数值仿真可以较好的反映经纱的蠕变特性，验证了 ANSYS 数值仿真在分析经纱蠕变过程中的可行性，同时 ANSYS 结果能够观察蠕变动态变化过程，更加直观的了解蠕变。3.通过对经纱横向振动数值仿真研究，其结果表明，经纱线密度越大，横向振动更加剧烈，对各参数的控制显得更加严格。为了降低经纱振动频率和振动幅度，其方法有提高经纱运动速度，增加阻尼系数，减小张力波动比，控制初始条件，从而降低经纱断经率。.........参考文献(略)