一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其将每股钢丝简化成杆单元分析模型，每个节点质量为整个杆单元的1/2，单元的受力、位移、转动也都集中在两个节点上。合股机工作过程中，摆动头携带着钢丝沿轴向往返运动，先是保持恒速运动，在通过两端时及时降速并转变为反向的轴向速度，一层一层地往返平铺在卷取轴上，每一束、每一层之间相互挤压、层层铺叠，形成了复杂的钢丝集合体结构。通过预测任意时刻钢丝与钢丝之间的接触状况、接触后的受力以及是否粘连来判断钢丝合股的性能。本发明专利技术根据任意一步与理想结果的差异来判断合股在什么情况下出了何种差错，避免实际工程中多次反复试验，提高精度与准确性也降低了生产制造成本。

Prediction method of steel wire stranding performance based on flexible body dynamics

The present invention relates to a method for predicting the performance of steel wire stranding based on flexible body dynamics. The steel wire per share is simplified into a rod element analysis model. Each node has a mass of 1/2 of the whole rod element. The force, displacement and rotation of the element are also concentrated on two nodes. In the working process of the laminator, the swinging head carries the steel wire along the axial reciprocating motion, first maintains the constant speed movement, reduces the speed in time when passing through both ends and turns into the reverse axial speed, lays one layer by one on the coiling shaft, each bundle and each layer extrudes each other, lays one layer upon another, forms the complex steel wire collection. Fit structure. The performance of steel wire stranding can be judged by predicting the contact status between steel wire and steel wire at any time, the force after contact and whether the steel wire is bonded or not. According to the difference between any step and the ideal result, the invention can judge what kind of errors are made under what conditions, avoid repeated tests in actual projects, improve the accuracy and accuracy, and reduce the production cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法
本专利技术涉及一种钢丝合股性能的预测方法，具体涉及一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，属于纺织织造

技术介绍
钢丝编织胶管因为其优异的承压能力、良好的减震效果而被广泛应用于航空航天、矿山开采、工程建造等多个行业。在排除材料属性的影响下，胶管中钢丝增强层的质量对编织胶管抗压性能起着关键作用。钢丝合股是编织物制造的前道工序，在该工序中，多股钢丝被分别施以相同张力，平行排列形成束线，缠绕到锭轴上，形成合股锭轴。因此锭轴的合股性能对编织过程中丝线抽取，有序排列都会产生直接影响，这也是诱发编织增强体瑕疵(如节距波动、股线排布不匀)的主要原因。钢丝合股成为锭轴通常在钢丝合股机上完成，是由钢丝合股机给特定数量的单股钢丝施加边界或作用力而形成，通过合股机的钢丝会并排成紧靠在一起的一束带状钢丝，此束带状钢丝在摆动头的轴向运动带动下，先是保持恒速运动，在通过两端时及时降速并转变为反向的轴向速度，以保证缠绕的角度恒定，这样一层一层地往返平铺在卷取轴上，每一束、每一层之间相互挤压、层层铺叠，形成了复杂的钢丝集合体结构。在放线缠绕过程中钢丝与钢丝之间、钢丝与线轴之间的相互作用以及线轴的转速和钢丝的移动速度都比较复杂，往往会产生松弛、跳线等现象。松弛的钢丝需要很长一段排线距离才能恢复，同时会影响下一层的缠绕效果，对最终成型的产品性能影响极大。而现阶段，在工程实际中主要通过反复试验调整参数的方法来进行钢丝合股性能调节，存在调整时间长、材料浪费严重的问题。因此，为了更加方便、更加准确地预测钢丝合股的性能优劣，有必要提供一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，以预测钢丝合股的性能。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其针对合股后钢丝所处状态的预测，能显著提高合股钢丝的性能。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其用于合股缠绕的钢丝合股机，所述钢丝合股机由卷取轴、束丝、摆动头组成；束丝的前端被固定在卷取轴的左端，卷取轴进行逆时针转动，摆动头以速度V沿轴向往返运动，通过卷取轴和摆动头的协同作用，束丝一圈一圈缠绕在卷取轴之上；摆动头移动速度V，卷取轴转速ω，卷取轴半径R，钢丝横截面圆半径r，钢丝与钢丝之间的摩擦系数μ；所述方法包括如下步骤：1)，将每根钢丝简化成连续节点，相邻节点之间采用有限单元分析方法进行模型分析，每个节点质量为整个单元的1/2，单元的受力、位移、转动也都集中在两个节点上；2)，通过空间螺旋线方程计算出卷取轴上每股钢丝中各个点的空间坐标；3)，根据被接触单元划分判断接触区域内的左右极限点及另两个方向的极限值；4)，同面接触判定：通过被接触单元两节点建立向量接触单元两节点建立向量通过其中一点与接触判断点建立向量计算向量和的外积根据公式：判定接触，若d1≥r，则未接触；否则d1<r，则已经接触；a为在上的分量与的比值，可用于判定是否发生滑动；5)，异面接触判定：通过被接触单元两节点建立向量通过判定接触单元建立向量计算向量和的外积通过其中一点与接触判断点建立向量通过矩阵转换坐标系(P矩阵中的各分量都是单位化后的)，得距离d2和各轴分量a，b，若d2≥2r，未接触；否则d2<2r，则已经接触；6)，计算接触力，根据公式：同面接触：Fcurrent＝default·(1-d1/r')Fnode[0]＝-default·(1-d1/r')·(1-a)Fnode[1]＝-default·(1-d1/r')·a异面接触：Fnode[0]＝-default·(1-d2/2r)·(1-a)Fnode[1]＝-default·(1-d2/2r)·aFcurrent＝default·(1-d2/2r)·(1-b)Fnode[2]＝default·(1-d2/2r)·b根据节点力在各轴方向上的分力进行判断，如果证明接触后会粘连在一起，否则会发生打滑现象。本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法进一步为：所述钢丝合股机摆动头携带着钢丝沿轴向往返运动，先是保持恒速运动，在通过两端时及时降速并转变为反向的轴向速度，以保证缠绕的角度恒定、性能良好，并一层一层地往返平铺在卷取轴上，每一束、每一层之间相互挤压、层层铺叠，形成钢丝集合体结构。本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法进一步为：所述步骤1)中，根据有限单元分析方法，将每股钢丝简化成杆单元分析模型。本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法进一步为：所述步骤2)中，各个点的空间坐标为：本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法进一步为：所述步骤3)具体为：选取需要进行接触判断的一个杆单元，对此单元的两个节点node[0]、node[1]进行X轴方向大小排序，假设xnode[0]<xnode[1]，再判断：a)node[0]左端有没有其他节点；b)左边点是否在所需判断杆单元X轴区域之外；在满足以上条件的情况下，说明在判断区域内node[0]左边仍有节点，以此方法找到判断区域内的左极限点smallest和largest；同时判定整个区域在Y、Z轴方向上的最大和最小值：然后从左极限点smallest开始检索一直到右极限点largest结束，依次逐个判断此点所属杆单元是否已经与被接触单元接触。本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法进一步为：所述步骤4)和步骤5)具体为：首先进行接触情况的分类，通过node[0]、node[1]建立向量通过接触点current、node[2]建立向量通过node[0]、current建立向量计算向量和的混合积：如果混合积说明两个杆单元位于同一平面；如果混合积说明两个杆单元位于异面；判断位于同一平面的情况，在此类情况中，通过计算向量的内积，判断是端面与杆单元接触或两杆单元表面接触；如果说明两向量垂直，即向量所代表的杆单元是端面与杆单元表面接触，做的外积由于向量和在同一个平面内，角θ为向量和的夹角，向量垂直于向量和接触点current到单元的距离为：若d1≥r，则未接触；否则d1<r，则已经接触；如果说明两向量不垂直，即所代表的杆单元为单元表面相接触，与上述类似，计算点current到单元的距离d1，若d1≥2r，则未接触；否则d1<2r，则已经接触。当接触的两杆单元为异面时，通过接触单元上两点node[0]、node[1]建立向量通过判定接触单元上两点current、node[2]建立向量并做外积做node[0]、node[2]之间的向量将其通过矩阵转换坐标系(矩阵中各分量都是单位化后的)：若d2≥2r，单元未接触；否则d2<2r，则已经接触；本专利技术的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法还为：所述步骤6)具体为：做向量和的外积并将其单位化为则向量在向量方向上的分量为：向量在向量方向上的分量为：设定参数根据参数a的值，判定节点的位置：如果a<0，接触点位于界限左端，如果a>1，接触点位于界限右端，如果0≤a≤1，接触点在范围内，验证完毕；(同面)已经接触的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：其用于合股缠绕的钢丝合股机，所述钢丝合股机由卷取轴、束丝、摆动头组成；束丝的前端被固定在卷取轴的左端，卷取轴进行逆时针转动，摆动头以速度V沿轴向往返运动，通过卷取轴和摆动头的协同作用，束丝一圈一圈缠绕在卷取轴之上；摆动头移动速度V，卷取轴转速ω，卷取轴半径R，钢丝横截面圆半径r，钢丝与钢丝之间的摩擦系数μ；所述方法包括包括如下步骤：1)，将每根钢丝简化成连续节点，相邻节点之间采用有限单元分析方法进行模型分析，每个节点质量为整个单元的1/2，单元的受力、位移、转动也都集中在两个节点上；2)，通过空间螺旋线方程计算出卷取轴上每股钢丝中各个点的空间坐标；3)，根据被接触单元划分判断接触区域内的左右极限点及另两个方向的极限值；4)，同面接触判定：通过被接触单元两节点建立向量

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：其用于合股缠绕的钢丝合股机，所述钢丝合股机由卷取轴、束丝、摆动头组成；束丝的前端被固定在卷取轴的左端，卷取轴进行逆时针转动，摆动头以速度V沿轴向往返运动，通过卷取轴和摆动头的协同作用，束丝一圈一圈缠绕在卷取轴之上；摆动头移动速度V，卷取轴转速ω，卷取轴半径R，钢丝横截面圆半径r，钢丝与钢丝之间的摩擦系数μ；所述方法包括包括如下步骤：1)，将每根钢丝简化成连续节点，相邻节点之间采用有限单元分析方法进行模型分析，每个节点质量为整个单元的1/2，单元的受力、位移、转动也都集中在两个节点上；2)，通过空间螺旋线方程计算出卷取轴上每股钢丝中各个点的空间坐标；3)，根据被接触单元划分判断接触区域内的左右极限点及另两个方向的极限值；4)，同面接触判定：通过被接触单元两节点建立向量接触单元两节点建立向量通过其中一点与接触判断点建立向量计算向量和的外积根据公式：判定接触，若d1≥r，则未接触；否则d1<r，则已经接触；a为在上的分量与的比值，可用于判定是否发生滑动；5)，异面接触判定：通过被接触单元两节点建立向量通过判定接触单元建立向量计算向量和的外积通过其中一点与接触判断点建立向量通过矩阵转换坐标系，得距离d2和各轴分量a，b，若d2≥2r，未接触；否则d2<2r，则已经接触；6)，计算接触力，根据公式：同面接触：Fcurrent＝default·(1-d1/r')Fnode[0]＝-default·(1-d1/r')·(1-a)Fnode[1]＝-default·(1-d1/r')·a异面接触：Fnode[0]＝-default·(1-d2/2r)·(1-a)Fnode[1]＝-default·(1-d2/2r)·aFcurrent＝default·(1-d2/2r)·(1-b)Fnode[2]＝default·(1-d2/2r)·b根据节点力在各轴方向上的分力进行判断，如果证明接触后会粘连在一起，否则会发生打滑现象。2.如权利要求1所述的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：所述钢丝合股机摆动头携带着钢丝沿轴向往返运动，先是保持恒速运动，在通过两端时及时降速并转变为反向的轴向速度，以保证缠绕的角度恒定、性能良好，并一层一层地往返平铺在卷取轴上，每一束、每一层之间相互挤压、层层铺叠，形成钢丝集合体结构。3.如权利要求1所述的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据有限单元分析方法，将每股钢丝简化成杆单元分析模型。4.如权利要求1所述的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：所述步骤2)中，各个点的空间坐标为：5.如权利要求1所述的基于柔性体动力学的钢丝合股性能预测方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：选取需要进行接触判断的一个杆单元，对此单元的两个节点node[0]、node[1]进行X轴方向大小排序，假设xnode[0]<xnode[1]，再判断：a)node[0]左端有没有其他节点；b)左边点是否在所需判断杆单元X...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴震宇，周英杰，梁贤军，胡旭东，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33