基于Solidworks的试卷袋密封施胶装置的建模与仿真分析

单光 何邦贵 王超

摘  要： 借助Solidworks软件，来设计模拟试卷袋施胶装置的结构，对部件进行三维建模和模型装配，并利用Solidworks Simulation插件对取胶辊进行受力分析，以及Motion插件对整个试卷袋施胶机构进行运动仿真，得出数据以及仿真结果有助于我们分析试卷袋施胶机构的可行性，其中有限元分析计算，使我们对所设计方案能够更好地进行综合评价。

关键词： 施胶装置;Solidworks;建模;仿真

中图分类号： TP391    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.028

本文著录格式：单光，何邦贵，王超，等. 基于Solidworks的试卷袋密封施胶装置的建模与仿真分析[J]. 软件，2019，40（8）：117122

【Abstract】： With the help of Solidworks software， we designed the structure of the paper bag casting device， modeled and assembled the parts in three dimensions， analyzed the force of the roller applying using the Solidworks Simple plug-in， and simulated the motion of the entire paper bag casting mechanism. The data obtained and the simulation results can help us to analyze the feasibility of the paper bag casting mechanism， and the finite element analysis and calculation can make us better evaluate the design scheme.

【Key words】： Gelling device; Solidworks; Modeling; Simulation

0  引言

试卷印制主要由保密印刷厂来印制，不仅要保证试卷的印刷质量，还要保证在整个生产过程中安全性、保密性以及时效性，防止失、泄密事件的发生[1]。在试卷的生产印制过程中，保密出现问题，将产生很严重的后果，尤其是一些国家级考试和省级考试环节，对于考试保密级别要求相当高，国家保密局对试卷印制企业有着严格的资质审查，目前具备印制试卷资质的企业数量有限[2]。经过现场考查和调研，由于试卷印制的特殊性，尚未发现有机构或个人对试卷印制技术进行研究，目前试卷袋采用手工刷胶，整个试卷的生产效率过缓，生产质量不高，生产周期较长[2]。仍有许多生产人员能够接触试卷内容，试卷印制企业需要对参与试卷生产的人员进行长时间的入闺管理，直至考试结束才能解闱。

因此，我们利用Solidworks来设计一台自动密封施胶装置，将三维建模用于设计的前期方案设计阶段，然后对方案进行优化，并对设计出的机构进行仿真分析，并对施胶辊进行受力分析，确定该取胶辊的刚度以及偏移度，对整体装置进行运动仿真，验证设计的合理性和可操作性。利用Solidworks对相关的试卷袋施胶装置的设计提供了依据和指导。

1  试卷袋施胶装置的三维建模

1.1  工作原理分析

施胶装置的主要功能是将胶水涂抹在试卷袋中间位置，施胶宽度与密封签的宽度一致，人工施胶是使用跟密封签宽度一样的刷子，将刷子蘸胶水，然后均匀的将胶水刷在试卷袋需要粘贴密封签的位置上。所以施胶装置的工作原理为取胶、上胶、施胶三个步骤，并且必须保证施胶均匀。目前已有的有刷子施胶，滚轮施胶，圆盘施胶，每种施胶装置的应用场合不一样，施胶方式也不一样，施胶原理也各有千秋，有其优势也有其不足之处。经过分析试卷袋施胶具体场景，分析出其工作原理是将液体胶放在盛胶盒里，通过滚轮传输胶水，在通过橡胶辊二次均匀胶水，最后通过施胶辊将胶水施加在试卷袋上。如下图1所示试卷袋施胶位置图，图中绿色为施胶位置。

1.2  零件构建

根据试卷袋施胶的工作原理，利用Solidworks构建施胶装置的三维模型，所设计的施胶装置主要包括取胶辊、传胶辊、施胶辊、滚动轴承、齿轮、支座、盛胶盒、电机等构成。其运动的动力源由电机提供，通过电机来带动取胶辊转动，然后通过取胶辊上的齿轮带动传胶辊上齿轮转动，从而达到将取胶辊上的胶水均匀的转移到传胶辊上，然后通过传胶辊上的齿轮带动施胶辊上的齿轮运转，将传胶辊上胶水转移的施胶辊上，在压力、摩擦力作用下将胶水转移到试卷袋上，即完成整個施胶过程。

当完成初步结构分析后，即可利用Solidworks进行三维模型的建立，在草图中绘制二维平面轮廓，通过拉伸命令，形成初步的模型，然后通过旋转，以及各种Solidworks命令即可初步构建模型。每个零件都用Solidworks进行构建，设置好各自尺寸，即完成建模，如下图2所示的取胶辊。其中的齿轮可以从零件库里提取，通过改变齿轮模数、齿轮的其他参数，就可以得到自己所需的齿轮，如下图3所示的齿轮。

在Solidworks中，通常用的零件构建功能就是草图绘制，拉伸，切除，打孔，倒圆，有的零件可以直接从零件库里选取标准件，通过改变标准件的参数即可得到自己所需的零件，这种建模效率更高，得到的零件更为标准。

1.3  整体装配

将所有的零件绘制完毕后，通过Solidworks新建装配体功能，将零件导入装配体，按各零件之间的配合关系进行装配，通过各零部件的装配形成一个完整的三维装配结构模型，通过拖动鼠标旋转视图，可以观察整个装配体的构造、配合关系。

打开Solidworks软件，新建装配体，命名为施胶装置。按设计的结构将取胶辊、传胶辊、施胶辊、滚动轴承、齿轮、支座、盛胶盒、电机等利用配合命令重合、平行、垂直、相切、同轴心建立约束关系。使取胶辊与传胶辊保持相切，并且传胶辊、取胶辊、施胶辊通过同轴心命令与滚动轴承固定。其余各部件、零件按相应的约束关系进行配合，即可得到一个装配体，最后加装一个主动力电机。

装配完成后再次检验装配约束关系是否正确，在Solidworks配合关系一栏，看配合是否出现红色或者黄色。若出现则表示某一零件相应尺寸、配合关系不合理导致装配缺陷或者错误。并且在装配关系中，可以单独选中某个需要从新设计的零件，点击该零件进行修改然后保存，同样在这个装配体中，该零件也会在装配体中从新构建，检查装配体关系，其他配合约束关系不会受到影响。

1.4  干涉检查

在利用Solidworks构建三维模型时由于直观、配合、设计、计算等因素，各零部件之间会出现干涉状况，通过Solidworks中的评估下的干涉检查命令来对装配体进行检查，通过干涉功能。进入干涉检查时，单击计算命令，这样就可以对整个装配体进行干涉检验[3]。若存在干涉情况，则装配体中干涉零件会显示为红色，这样就需要回零件里进行相应修改。

利用干涉检查，将整个模型存在的干涉排除，这样就能避免在实际生产过程中，各轴、孔、齿轮配合不精准，需要反复打磨加工来满足安装精度，减少了人力、物力不必要的浪费。

同时也为下一步正确的分析数据和运动仿真提供必要先决条件[4]。这样能够避免各胶辊之间产生干涉，相互阻挡摩擦，或者各部件之间卡死不能运转等情况。

2  对试卷袋施胶装置进行受力分析与仿真

2.1  取胶辊受力分析

在Solidworks中，Solidworks Simulation可以预测零件在承载下性能如何，并可以检测在设计周期可能出现的问题，通过给零件添加应用载荷和夹具，并指定材料。对零件进行分析，可以查看结果。所有这些信息都包括在Simulations算例中。大部分分析问题要求有综合性分析产品，在最终通过设计之前进行精确且完整的实时模拟。使用强大且全面的Solidworks Simulations能够具有高效的评估性能、提高质量和推动产品创新[5]。

此次構建的模型主要用于模拟取胶辊的结构和运动状态。使用Solidworks中的Simuation功能来分析取胶辊的刚度和受力情况，以确保取胶辊能取胶，并且能传输胶水，保证与传胶辊之间的接触，在运转中不改变机械结构和零件形态。通过分析能够确定轴能够承受轴本身和胶辊的质量，并且能够保证在传胶辊载荷作用下时，不会产生过大的偏移。利用受力分析可以解决设计过程诸多不确定性和数据不足的特点[6]。

现代网络技术飞速发展，目前有很多公司设计研发出了多款受力分析软件，比如3D3S，PKPM，staad，sap 2000，anisys以及各种三维建模软件自带的受力分析插件。这些软件核心原理基本相同，采用化整为零方法，即将各自建立的三维模型进行网格划分，分成很多小块，每一小块受不同载荷。最后将每一个相关的受力小块单元进行叠加，受力分析由一个单元变成一个整体，这样就可以分析在受载荷情况下的变形、受力情况等静力学特性，并计算出整个三维模型的特性，称为有限元分析计算[7]。由于实际有限元分析受力单元多，分布面广，且重叠性突出的特点，都借助于相应的计算机辅助软件进行有限元分析计算，通过计算机辅助软件分析为工程设计者提供了便利，减少了产品设计的工作量，加快了设计进度。在这些受力分析软件中Solidworks Simulation操作界面简单，使用方便，性能突出。

为对模型进行有限元分析计算，对实体模型网格化，网格划分大的小和属性参数对最终有限元分析结果的精度有很大的影响。在使用Solidworks Simulations进行受力分析时，需要进行6个步骤操作，分别是夹具、载荷、材料、运行、结果、优化。①添加夹具：应用夹具以阻止零件在应用载荷时移动;②载荷：添加压力或者添加力;③材料：对三维模型应用材料;④运行：使用默认设置求解或者调整设置求解;⑤结果：显示vonMises应力，显示位移，显示安全系数;⑥优化。

对取胶辊进行受力分析时，先添加夹具，将取胶辊两端轴固定，（在这里将带有夹具的面视为完整刚性）。然后在受力的辊区域施加受力大小和受力方向，选择合金钢材料，并应用进行运行模拟，这时候出现动画模拟，停止动画，显示运行结果。首先显示vonMises应力，然后显示位移，最后显示安全系数。如下图8所示，绿色箭头表示两端添加夹具示意，红色箭头表示辊轴受重力、压力示意。如下图9所示，应用合金钢材料。如下图10所示，在力的作用下运行图。如下图11所示，为vonMises应力图。如下图12所示，为位移显示。如下图13所示，为安全系数。

由图8可知，使用材料为合金钢，该材料的杨氏模量为2.1e+011 N/m2，其屈服强度为6.20422 e+ 008 N/m2。由图10可知，该取胶辊运行时，最大位移偏移出现在中部位置处。由图11可知，该取胶辊静应变变形比例为1.25977 e+007 N/m2。由图12所示，该取胶辊由轴两端到中间位置位移量逐渐增大。

由图13所示，该取胶辊在应力作用下，其受力范围仍处于安全系数范围内。综上所示，设计的取胶辊的应变变形比例小于选用材料的杨氏模量和屈服强度，偏移量符合设计要求。研究分析结果与取胶辊实际应用特点相符合，这进一步验证了借助Solidworks辅助设计的可行性，得出了有效的数据和信息[8]。

2.2  运动仿真

借助Solidworks Motion工具仿真，通过三维模型的动态展示从而直观地反映施胶装置的运行情况，取胶辊在电机的作用下转动，然后带动传胶辊运转，带动施胶辊旋转，最终在施胶辊与试卷袋的挤压摩擦力作用下，將胶水转移到试卷袋上。通过运动仿真可以检测当前各部件的运动性能，从各结构的不同运动状态可以分析出其结构的合理性，并检测出该设计方案的可行性，也有助于检验各零件之间的配合情况，从而依据仿真结果来优化完善施胶装置的设计。

在Solidworks中对施胶装置进行运动仿真时，首先打开左下角的运动算例，在插件选项中添加Solidworks Motion插件，选择Motion分析，拖动装配体键码，根据需要确定时长，由于该施胶装置是通过电机来带动，通过添加马达，选取取胶辊作为旋转零件，并选定转动方向，确定转速，并确认保存，添加接触，使用接触组，选取传胶辊和轴承，并填写参数确认保存，添加引力，根据取胶辊转动方向确定引力方向，最终添加轨迹绘制，并进行计算，结束后导出轨迹路径。

在Solidworks Motion分析中，可以方便调整模型的运动速度，使设计者能够直观的观察模型运动的完整情况，可以确定装配过程中各约束是否正确，是否产生干扰，是否联动，并可以通过设定时长以及任意选择时间点来观察某一时刻模型的状态。由图15知，通过拖动键码来确保取胶辊运动，通过图16知，添加马达，保证取胶辊为旋转状态，与传胶辊接触，传胶辊与施胶辊接触，并设置材料，各辊轴均有重力，通过计算运动算例，最后得出运动轨迹图，显示与试卷袋接触点为一条直线，符合施胶装置设计目标，将胶水施加在试卷袋上，并成均匀直线。通过运动模拟仿真分析，所设计的施胶装置符合设计要求，能够满足施胶实际目标。通过Solidworks Motion运动仿真减少资源的消耗，提高模型的复用率，保证设计产品质量[9]。

3  结论

本文通过Solidworks软件进行零件构建，然后利用Solidworks对零件进行装配形成完整的装配体，并进行了干涉检查。利用Solidworks Simulations对施胶装置中重要构件取胶辊进行了受力分析，验证了该结构能够承受所受应力。而且通过Solidworks Motion对整个施胶装置进行了运动仿真，确定该装置能够在试卷袋上直线均匀施胶，符合设计需要。通过利用Solidworks设计施胶装置的三维模型，直观的展示了施胶装置的外部构造和各部件之间的配合关系，摆脱了对实际物理样品的依赖，通过Solidworks Simulations分析了取胶辊的受力情况，保证了设计结构和材料的合理性，最后通过Solidworks Motion对施胶装置进行了运动仿真，验证了该装置传动的合理性以及各部件配合的协调性。通过Solidworks软件加快了设计的进度，节约了设计时间，保证了设计的可靠性，验证了方案的可行性和正确性[10]。

参考文献

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