涂布机二面机头走台结构仿真及优化

邹胜 江正贤

摘  要：针对涂布机二面机头设备稳定性、可靠性要求，运用有限元分析软件对二面机头走台进行了模态分析，确定了走台前6阶振动模态和固有频率。同时对走台进行了结构优化，提高了走台的固有频率。通过比较走台优化前后的静力分析，走台的整体变形得到了明显改善，验证了优化结果。其研究结果对设备的结构设计有一定的指导意义。

关键词：涂布机二面机头;走台;模态分析;固有频率;结构优化;

1 引言

近年来在全球大力倡导发展绿色能源，降低碳排放的趋势下，各国对动力电池和储能电池的需求越来越大。随着新能源汽车的蓬勃发展，锂电池的生产规模逐渐扩大。而有一定规模的锂电池生产企业都采用挤压涂布方式。在锂电池生产过程中，挤压式涂布机就是将正负极活性物质与粘合剂混合均匀，制成糊状，均匀涂覆于锂电池基材两侧[1]。本文要研究的是涂覆极片二面的设备结构，由于二面机头一般都在二层，其重心较高，而承载二面机头的走台是保证二面机头稳定涂布的关键。因此，需要考虑走台的刚度和强度要求，以及动态特性。运用有限元分析软件对二面机头走台进行静动态特性分析，为结构优化设计提供理论依据。

2 走台模态分析

2.1 有限元模型的建立

以四川宜宾某锂电池涂布机为研究对象，二面机头放置于走台上，其质量为3455.8kg。对二面机头走台进行模态分析，主要是为了研究其在自由状态下的固有振动特性。为了保证走台模型的求解速度和精度，便对模型进行简化处理，去除对走台刚度影响很小的细小特征，如小圆孔、小圆角、小倒角等[2]。在SolidWorks中建立好二面机头走台的简化模型后，将其导入有限元分析软件中定义材料属性。材料为结构钢，密度为7850kg/m3，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，许用强度275MPa。涂布机二面机头模型如图1所示，走台简化模型如图2所示。

2.2 模态分析理论

在结构模态分析中，机械结构可以看成多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区。一个N自由度线性结构系统，其运动微分方程为：

方程的根（特征值）即为模型的固有频率，根据特征值可求得特征向量，即给定频率下的振型。对二面机头走台进行模态分析时，可以根据式（2）计算求解出其固有频率和振型。

2.3 模态分析结果

在有限元分析软件中设置走台模型的零部件接触类型为Bonded，即接触面之间不存在切向的相对滑动或法向的相对分离。对走台的4个地脚底面进行固定约束，求解后得到了走台的各阶固有频率及相应的振型。一般外部载荷的频率较低，模态阶数越高，固有频率越大，低阶固有频率比高阶固有频率更容易导致设备发生共振，故主要考虑走台的低阶模态。提取前6阶模态，其各阶模态振型如图3到图8所示，各阶模态汇总结果如表1所示。

从表1可以看出，二面机头走台前3阶固有频率偏低，说明主体结构在X、Z方向上的刚度不足。当走台受到外界激励时容易发生共振，会影响二面机头涂布效果。因此，有必要对走台结构进行优化，提高其固有频率，避免共振破坏结构[3]。

3 走台结构优化

在对二面机头走臺进行结构优化时，考虑走台的重心较高，立柱方通跨度大，走台下端有其它设备等因素，优化方案主要包括以下几个方面：（1）在走台立柱方通上端各焊接1个方通，方通截面尺寸为100×100mm，厚4mm，长950mm;（2）改变中间方通到底部方通的距离;（3）在方通与方通、工字钢的连接处焊接24个异形方通。走台优化后的模型如图9所示。对优化后的走台进行了模态分析，各阶模态振型如图10到15所示，走台优化前后前6阶固有频率比较如表2所示。

根据二面机头的质心坐标，在机头与走台固定座接触的面施加远端力（二面机头自重），同时添加重力加速度，固定约束走台的4个地脚底面。走台优化前后静力变形如图16、17。

由表2可知，走台结构优化后前6阶固有频率都得到了提高。特别是第1阶固有频率从7.1255Hz增加到11.244Hz，相对原始第1阶固有频率增加了约57.8%。优化后走台最大变形由0.9947mm变为0.62209mm，相对原始结构减小了37.5%，验证了优化结果。

4 结论

本文运用有限元分析软件对涂布机二面机头走台进行了模态分析，得到了走台的前6阶振动模态和固有频率，经过分析发现原始走台刚度不足，故对其结构进行了优化，提高了走台的固有频率。通过比较走台优化前后静力变形，验证了优化结果。为设备的结构设计提供了理论依据，能有效地节约成本和缩短研发周期。

参考文献

[1] 齐继宝，黄烨，杨伟民.新型宽幅动力锂电池挤压式涂布机的研制[J].机械设计与制造，2019（12）：117-120.

[2] 张卫芬，李永梅，迟英姿.基于ANSYS的洗衣机机箱模态及谐响应分析[J].机械工程与自动化，2015（05）：64-65+67.

[3] 王争如，张清萍，王成.激光切割机机身有限元分析及实验研究[J].锻压装备与制造技术，2014，49（03）：44-47.