基于变质量系统的卷绕内张力变化规律研究

摘要

在造纸、包装、轧钢和纺织等行业中，需要对带材进行卷绕（收卷）成形，以缩小贮存空间，或方便运输。在卷绕过程中，卷筒内部经常会出现皱折和厚度不均的现象，严重影响卷材质量。为了能使卷筒内部平整、卷筒紧实，有必要对卷绕过程进行分析，研究卷绕过程中内张力分布规律，实现无曲皱的卷绕。
　　本文主要的研究内容和结果如下:1)分析了国内外关于卷绕内张力变化规律的研究现状，提出了基于变质量系统进行卷绕内张力变化规律研究以及包括惯性力在内的内张力分析计算。
　　2)对卷绕系统内张力的机理进行分析。把卷筒模型转化为二维平面轴对称模型，内张力分析归结为径向应力和切向应力的分析。定性分析了卷绕物自身力学性能、卷绕半径、卷绕惯性力、卷芯类型及卷绕张力对卷绕内张力的影响。根据卷筒内部发生曲皱原理，提出卷绕内张力均匀稳定所需满足的条件，切向应力介于零和屈服极限σs之间。
　　3)根据弹性力学分层厚壁圆筒理论将卷筒看成厚壁圆筒，利用应力法求解满足弹性边界问题的基本方程，求得在考虑体力情况下的内外壁受均匀压力的厚壁圆筒的应力分布公式，再利用达朗贝尔原理对卷筒内张力进行动态力学分析，确立动态力平衡方程，通过叠加原理和微积分原理建立了数学模型并推导出基于变质量的内张力分布公式，得到卷绕过程中卷筒内部切应力σθ(r，R)的分布表达式。
　　4)利用MatlabGui界面设计了卷绕系统卷绕物内张力计算分析软件，定量分析比较各个卷绕参数对卷绕内张力的影响。通过算例分析发现卷绕内张力随半径增大逐渐减小;对于卷筒内任意一点，随着卷绕半径的增大，其卷绕内张力逐渐增大。同时得出:卷绕惯性力对卷绕内张力的影响大，不可忽略;采用刚性芯轴及减张力控制函数更有利于卷绕内张力保持均匀稳定而不发生曲皱现象。
　　5)利用AnsysLs-Dyna对卷绕过程进行动态计算仿真分析，得到卷绕内应力变化规律，仿真分析结果与Matlab数值计算规律基本一致，从而验证了理论公式的可行性。
　　6)进一步对所研究分析的理论与前人的研究进行对比总结，得出结论。
　　7)总结全文，并对研究内容提出进一步的展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文主要研究思路

1．5 本章小结

第二章 卷绕系统内张力机理分析

2．1 卷绕系统组成

2．2 卷绕内张力分析

2．2．1 主要受力情况

2．2．2 卷绕内张力稳定条件

2．3 影响因素分析

2．3．1 卷绕物自身物性对内张力的影响

2．3．2 卷径变化对内张力的影响

2．3．3 卷筒质量变化对内张力的影响

2．3．4 卷筒芯轴对内张力的影响

2．3．5 张力控制方式对内张力的影响

2．4 本章小结

第三章 卷绕系统内张力模型建立

3．1 内张力模型主要原理

3．1．1 变质量系统原理

3．1．2 分层厚壁圆筒理论

3．2 卷绕内张力模型

3．2．1 受力分析

3．2．2 边界条件的确定

3．2．3 卷绕张力的转化

3．2．4 数学模型的确立

3．3 本章小结

第四章 基于Matlab Gui的卷筒内张力分析

4．1 Matlab Gui简介

4．2 卷筒内张力计算分析软件设计

4．2．1 软件设计思路

4．2．2 软件界面介绍

4．2．3 软件计算分析操作

4．3 各参数对卷绕内张力影响

4．3．1 不同卷绕物材料下的内张力分析

4．3．2 卷筒内张力随卷径变化分析

4．3．3 卷绕惯性力对内张力计算结果对比分析

4．3．4 卷绕芯轴对内张力计算结果对比分析

4．3．5 卷绕张力控制方式对计算结果对比分析

4．4 本章小结

第五章 基于Ansys Ls-Dyna的卷绕过程动态仿真分析

5．1 Ansys Ls-Dyna简介

5．2 Ansys Ls-Dyna建模仿真分析

5．2．1 有限元模型简化

5．2．2 单元类型的选择

5．2．3 材料属性的定义

5．2．4 网格的划分

5．2．5 接触属性的设置

5．2．6 边界条件及载荷的施加

5．3 仿真相关设置

5．3．1 终止时间的设置

5．3．2 仿真步长的设置

5．3．3 求解参数设置

5．4 仿真结果分析

5．4．1 不同卷绕半径下的切向应力分布

5．4．2 同一卷绕半径点随时间变化切向应力分布

5．4．3 轴向应力分布

5．5 二维数值分析与有限元结果分析对比

5．6 本章小结

第六章 分析结果对比

6．1 二维分析结果对比

6．2 三维模拟仿真对比

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果