大型复合材料丝束铺放机关键部件结构分析

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1、大型复合材料丝束铺放机关键部件结构分析堆AnalysisofKeyComponentofLargeCompositesFiberPlacementMachine北京航空制造工程研究所杨会芳李中凯金辉f摘要】对大型复合材料丝束铺放机关键部件进行了计算分析，对丝柬铺放机的总体结构、网格划分及约束加载进行了介绍，详细分析了横梁和铺丝头在不同工作位置由于自重引起的丝柬铺放机的变形以及变形对直线运动精度的影响。分析数据对丝束铺放机关键部件结构优化设计提供了理论依据，为横梁反变形设计提供了重要数据。关键词：丝束铺放机关键部件横梁自重变形精度IABSTRACTlThekeycomponents

2、oflargecom-positesfiberplacementmachinearecalculatedandana—lyzed．Theoverallstructureofmeshandloadconstraintsoffiberplacementmachineareintroduced．Thedeformationandthedeformationoflinearmotionaccuracyarecausedbytheweightofthefiberplacementmachinewhenthebeamsandfiberplacementheadareinadifferentw

3、ork·ingposition．Analysisofdataonkeycomponentsoffiberplacementmachineprovidesatheoreticalbasisforstruc-turaloptimization，inparticular,anti—deformationofbeamdesignprovidesimportantdata．Keywords：FiberplacementmachineKeycompo-nentBeamDeadweightDeformationAccuracy复合材料在飞机上的使用量日益增多。最新资料显示，世界各大航空制造公司

4、复合材料使用量均呈现增长趋势。飞机用材正在由铝合金时代向复合材料时代迈进。随着飞机结构尺寸的不断增大以及飞机复合材料使用量的不断增多，复合材料制造业已经成为飞机制造业的主要组成部分，用于复合材料构件制造的先进专用设备得到迅速发展和广泛应用。丝束铺放机在该设备领域具有举足轻重的地位，显著提高了复合材料生产效率和制件内部质量，降低了成本，使复合材料性能最优化和低成本并存成为可能。丝束铺放机具有结构跨度大、行程长、运行速度快、·国家科技重大专项项目(2009ZX040(M．-111)资助。72航空制造技术·2010年第22期制造精度高、移动部件质量轻以及热、力影响复杂等特点，传统的机械

5、进给系统设计、装配工艺和驱动方式难以实现丝束铺放T艺高速度、高精度的要求。本课题对丝束铺放机关键部件进行有限元计算，分析横梁和铺丝头在不同丁作位置由于自重引起的丝束铺放机的变形以及变形对铺丝头X向与y向直线运动精度的影响，为后续详细设计提供理论依据。1大型复合材料丝束铺放机总体结构丝束铺放机总体结构为高架桥式龙门结构。2排立柱同定在地基上，每排立柱上安装2条X向导轨，横梁在导轨上作X方向运动，横滑板在横梁上作y方向运动，垂滑枕在横滑板上作Z方向运动。2丝束铺放有限元网格划分及边界条件丝束铺放机结构复杂，包含很多螺钉、螺母等标准件以及具有小孑L、倒角特征，这些小建模特征使有限元网格

6、划分变得非常困难，因此在导人有限元分析模块前要对几何模型进行简化处理。以横梁为例，图I为简化处理后的几何模型。图中月为X向滑块，横梁通过滑块与导轨配合，沿x向运动。曰为y向导轨，横滑板通过滑块与，，向导轨配合，沿y向运动。图1横梁的CAE简化模型Fig．1CAEsimplifiedmodelofbeam2．1载荷及约束丝束铺放机在静态分析时主要考虑2种载荷，即铺丝工作力和自重。铺丝工作力施加于铺丝头末端，白重在ANSYS软件中通过准确定义材料密度自动施加。由于铺丝工作中铺丝力很小，与自重相比可以忽略不计，所以分析中只计算自重载荷。丝束铺放机的有限元分析模型和约束条件如图2．．塑盟

7、巡所示，丝束铺敲#【包括左右立往、横粱、横滑板垂滑枕和铺丝头6个郎件，窨

8、：件之坷通正【节点位移肌蛹建立连接盖系、实现山在各个鄙件之间的传递将立往底面在x卜z方向固定．埘横颦底酃滑块与立往f：导轨建、，卜z方向的节点位移耦台约束，消除卜z片向的削性位移，赴髓粱底}}【；滑缺部位选取部分H点约束耳方向，消除横銎』方向的削性位移对横滑板滑块o_攒粱导轨建立』．z方向的常点位移耦台约束．洲除横猎极Yz方向的剐性位移舟措崭短和{黄瓣，方向*朴驱动处选取部讣节点嘏合’方m，消除横滑板r片自