基于有限元對(duì)印刷機(jī)滾筒的仿真分析

李乾

摘要： 印刷滾筒是整個(gè)印刷機(jī)的核心關(guān)鍵部件，其擾度變形量和動(dòng)態(tài)性將直接影響印刷裝置運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及印刷質(zhì)量，本論文首先推導(dǎo)印刷滾筒理論公式，然后基于有限元ANSYS Workbench對(duì)已經(jīng)用proe建立的模型，進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，找出滾筒壁厚跟擾度的關(guān)系及滾筒壁厚、滾筒側(cè)壁厚對(duì)滾筒的動(dòng)態(tài)性能的影響。

Abstract： The printing cylinder is the key part of the whole printing machine， and the degree of flexibility and the dynamic property of the printing press will directly affect the stability of the printing device and the printing quality. This paper presents the printing roller stiffness formula and finite element based on ANSYS Workbench has been established using proe model for static and modal analysis， and finds out the relationship between the effect of drum wall thickness with immunity thickness and thickness on the drum dynamic performance.

關(guān)鍵詞： 滾筒；壁厚；擾度

Key words： rotary drum；drum wall thickness；flexibility

中圖分類號(hào)：TS803.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0145-02

1 印刷滾筒剛度理論分析

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》：材料為HT300，彈性模量為E=2×1011Pa，泊松比？酌=0.27，密度？籽=7250kg/m3 。所謂建立仿真環(huán)境就是根據(jù)實(shí)際添加邊界約束和施加等效力[4]在實(shí)際生產(chǎn)印刷過程中，印版滾筒所受的壓力對(duì)整個(gè)印刷有很重要的的影響，一般印版滾筒與橡皮滾筒間的壓力在30-70N/cm2范圍內(nèi)變化[5]。

2 滾筒的靜力學(xué)分析

根據(jù)靜力學(xué)分析可以得到當(dāng)印版滾筒與包橡膠滾筒壓合的時(shí)候，由于壓力分布不均勻，在兩端區(qū)域存在應(yīng)力集中區(qū)域，在壓力作用下，應(yīng)力會(huì)沿著滾筒周向傳播逐漸減少，這樣，在實(shí)際中造成滾筒的變形。從圖2滾筒的撓度變形圖，看到最大的撓度103um，小于印刷滾筒的許用擾度[6]。出從表1可以看出撓度隨著滾筒壁厚的增加而減小。但是考慮到制造成本和設(shè)計(jì)要求，在滿足設(shè)計(jì)要求下，盡量選擇滾筒壁薄些。

分析總結(jié)：根據(jù)圖2、表1，印刷機(jī)印版滾筒受到印刷壓力時(shí)，印版滾筒彎曲變形，中間變形最大，并逐漸向印版滾筒安裝軸承處減小，這樣會(huì)造成印版滾筒中間部分撓度最大，相應(yīng)的印刷壓力最小，整個(gè)印版滾筒的印刷壓力分布將不再均勻，印版滾筒與印版滾筒安裝軸接觸處應(yīng)力值會(huì)最大。

3 壓印滾筒的模態(tài)分析

隨著印刷技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)都在追逐高質(zhì)量、高效率、高可靠性的設(shè)備，而印刷滾筒是整個(gè)印刷機(jī)的核心關(guān)鍵部件，發(fā)展趨勢(shì)為輕量化，其動(dòng)態(tài)性能和結(jié)構(gòu)如果存在滾筒質(zhì)量分布不均、中間部分壓印力小、兩端壓應(yīng)力大、滾筒在長(zhǎng)度方向上發(fā)生撓曲變形等問題將對(duì)印刷工件特性會(huì)造成很大的影響，本部分將滾筒模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS workbench14.0，進(jìn)行模態(tài)分析。通過前部分?jǐn)⑹隹梢缘弥?，在?duì)滾筒進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)候，只考慮滾筒自重的作用[7]。因?yàn)闈L筒安裝軸通過滑動(dòng)軸承裝配在墻板孔內(nèi)，可以將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行完全約束。利用軟件智能自動(dòng)給印版滾筒劃分網(wǎng)格，精度設(shè)為：Smart Size 8。結(jié)合模態(tài)分析理論與印刷機(jī)印版滾筒的特點(diǎn)，低階固有振型頻率相對(duì)于高階來說對(duì)印刷機(jī)印版滾筒造成的振動(dòng)影響會(huì)更大，前者決定了印刷機(jī)滾筒的動(dòng)態(tài)特性，故設(shè)置模態(tài)提前數(shù)為6進(jìn)行分析計(jì)算，邊界約束是與軸承配合的軸端距離。不再滾筒上施加載荷。

4 分析總結(jié)

通過仿真結(jié)果可以看出圖形：印版滾筒在前1～3的固有頻率下，振型主要是以中間梁的彎曲變形為主，其中壁厚為10mm的印版滾筒的一階振型模態(tài)固有頻率為39.688Hz，振型為中間彎曲，對(duì)應(yīng)滾筒臨界轉(zhuǎn)速98540rpm[8]而本非標(biāo)印刷機(jī)的最高印刷速度為4800張/小時(shí)，遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。后4～6階是以中間梁和滾筒的彎曲變形為主。改變印刷機(jī)滾筒的壁厚或者側(cè)壁厚尺寸，印刷機(jī)滾筒的固有振型頻率也將改變，改變壁厚或側(cè)壁厚中一個(gè)尺寸，其余的都不變，其模型振型頻率變化不是很明顯。從表2及表3可以看出：在壁厚滿足設(shè)計(jì)要求的擾度下變形下，可以通過適當(dāng)減小滾筒厚度與側(cè)壁的厚度載一定程度提高固有頻率，進(jìn)而讓印刷機(jī)印版滾筒的動(dòng)態(tài)性能得到了加強(qiáng)，提高印刷機(jī)印刷產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。

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