基于NX Nastran的液压换管机关键零件有限元分析与优化.pdf

基于 N X Na s t r a n的液压换管机 关键零件 有 限元分析与优化 徐毅 原思聪 朱秋菊 樊菲 1西安建筑科技 大学 西安7 1 0 0 5 5 2中油大地电力通信工程公 司 廊坊0 6 5 0 0 1 摘要以U G N X为平台，建立了液压换管机整机结构的三维实体模型，并基于 N X N a s t r a n对其关键零件 夹紧块进行了有限元分析与优化，使其结构更合理，减轻了整机重量，具有重要的工程实用价值。 关键词液压换管机；零件；N X N a s t r a n ；有限元分析；优化 中图分类号T HI 2 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 6 0 0 7 0 0 3 Ab s t r a c t T a k i n g UG NX a s t h e p l a tf o r m ，t h e p a p e r e s t a b l i s h e s t h r e e d i me n s i o n a l s o l i d mo d e l o f t h e wh o l e s t r u c t u r e o f h y d r a s t a t i c b u r s t e r ，a n d b a s e d o n NX Nast r a n，a p p l i e s f i n i t e e l e me n t a n aly s i s a n d o p t i mi z a t i o n t o t h e k e y p a r t o f the c l a mp i n g b l o c k，ma k i n g the s t r u c t u r e i s mo r e r e a s o n ab l e a n d r e d u c i n g t h e w h o l e ma c h i n e we i g h t ，b e i n g o f i mp o r t an t p r o - j e c t p r a c t i c a l v al u e ． Ke y wo r d s h y d r ast a t i c b u r s t e r ； p a r t ；NX Na s t r a n；fi n i t e e l e me n t an aly s i s ；o p t i mi z a t i o n 0 引言 传统的地下管线施工方法是开挖施工法。这 种类似 “ 开膛破肚” 的施工方法妨碍地面的交通。 同时开挖施工使路面质量变差 ，破坏环境 ，成本 高 。现代的非开挖地下管线施工技术是利用岩土 钻掘等技术手段 ，在不开挖地表 的情况下完成地 下管线 的铺设 、更换及修 复 的一 项施工新 技术。 与传统方法相 比较 ，它是一种环境友好 的施工方 法 ，具有不破坏环境 、不影响交通 、施工周期短、 成本低等优点。本文研究 的液压换 管机 就是一种 新型的非开挖设备 。 N X N a s t r a n是一种简便而功能强大的有限元建 模与分析工具。它提供设计工程师和分 析人员进 行几何建模设计与分析需要的一种分 析环境 。结 构性能的有 限元分析是 机械设计 中的一个重要环 节，其基本步骤 为建立 结构的几何模 型，约束 和受力的简化 ，有 限元 网格的生成 处理包括点、 线 、面及体等几何信息，及约束、受力及温度等属 性信息 ，有限元计算 ，结果分析及设计改进等。 本文基于 U G N X平台，建立 了 H G一 8 0 T液压 换管机整机结构 的三维实体模型，在验证 了整机 。 陕西省 自然科学基金 2 0 0 7 E 2 1 8 一 7 0 一 装配模型没有干涉后 ，对各部件在各种工况下的 受力进行分析 ，并通过 N X N a s t r a n模块对其关键 零件夹紧块进行 了有 限元分析 ，优化 了该零件的 结构 ，减轻了其重量 。 l 液压换管机描述 所述的地下管线液压换管机的额定工作拉拔力 为 8 0 t ，可更换管线的直径范围为 q 2 0 0 4 0 0 m m， 换管速度为 1 0 0 m ／ h ，经 相关 的设计计算 后 ，在 U G N X中建立三维实体模 型。液压换管机工作原 理 在需要更换的管线 的两端分别挖 2个工作坑 ， 用于放置液压换管机、新 的管线 以及刀具。在安 置液压换管机时 ，调整机器的出管 中心和 旧管 中 心 ，使对齐 ，并保持水平 。操纵液压换管机将拉 杆一节一节地通 过 旧管线 穿到另一侧 的工作坑 ， 在拉杆的头部装上刀具 ，后部 连接新管 ，操纵液 压换管机往 回拉 ，顺序卸下拉 回的拉杆 ，直至所 有拉杆收回，即完成了旧管线的更换。 液压换管机夹 紧块是整 机 的关键部件 ，直接 影响整机 的工作性能。其主要功能是 实现 主伸缩 液压缸和拉杆间 的动力传递。受工作方式 和整机 结构的限制 ，夹 紧块只能 以面接触夹 紧的方式实 起重运输机械 2 0 1 1 6 现动力传递。由于本机的设计拉拔力为 8 0 t ，所以 所需要的夹紧力很大，这就要求夹 紧块 在较小 的 体积下能有较大的刚度 和强度 。因此有必要对其 结构性能进行有限元分析。 2 夹紧块 的有 限元分析 夹紧块三维实体模 型如 图 1所示。它 由上块 1 、下块 2以及中间销 3组成。上块 的孔 a通过销 轴和机架相连 ，孔 b通过销轴和加紧液压缸相连 ， 下块压紧拉杆并将主伸缩缸的输出力传递给拉杆。 1 ．上块2 ． 下块3 ．中间销 图1 夹紧块三维实体模型 2 ． 1 建立有限元模型并划分网格 在软件 U G N X中打开夹紧块 的三维模型 ，进 入高级仿真模块 ，新建 F E M和仿真 ，其中求解器 选择 “ N X N a s t r a n ” ，分析类型选择 “ 结构 ” ，解 算方案选择 “ S e s t a t i c 1 0 1一单约束 ” ，其余采用系 统默认值。 进行网格划分 ，网格划分质量 的好坏直接影 响有限元分析 的精确度和效率。选择 “ 3 D四面体 网络” ，类型为 “ C t e t r a 1 0 ” ，即 1 0节点四面体 单元。单元格大小手动设置为 1 2 m m，其他选项采 用默认值 ，共划分 出 3 2 8 0 6个 1 0节点 四面体单元， 5 5 7 7 7个节点，夹紧块的有限元模型如图 2所示。 图2 起重运输机械 夹紧块的有限元模型 2 0 1 1 6 2 ． 2 定 义材料 属性和 边界 条件 在软件中的材料管理器中新建加紧块的 3个 零件 的材料 “ 4 0 C r Mn ” ，材料属性设置如下密度 7 ． 91 0 k g ／ m m 、弹 性模 量 2 0 6 G P a 、泊松 比 0 ． 3 、屈服强度 8 3 5 MP a 、极限抗拉强度 9 8 0 MP a 。 孔 a 通过销轴 与机架相连 ，定义孔 内表面为 “ 销轴”约束 。下块 3的半环面通过与拉杆接触来 实现夹紧功 能，定义 该半 环 面 “ 法 向 简单支撑 ” 约束 。销轴 2的作用是实现上下 2个零件力的传递 和方 向的校正 ，因此在销与上下 2个零件的 3个接 触面上定义 3个 “ 曲面与曲面接触对” ，以实现销 的功能。 2 ． 3施加载荷 夹紧块上的孔 b与夹紧液压缸的活塞杆通过 销轴连接 ，因此在孔 b的下半 圆环面上施加 1个 “ 轴承力 ”载荷，方 向为指 向拉 杆方 向，大小为 4 8 0 k N，受力角度选择 1 8 0 。 。 2 ． 4 求解 及后处 理分 析 点击 “ 求解” 按钮开始求解。求解完成后 即 可进入后处理模块 ，查看有限元分析结果。 后处理模块可以将分析结果通过表格、图形 、 动画等直 观的方式表 达 出来 ，以便 于理解分析 。 进入后处理模块后 ，可 以得到夹 紧块 的 M a g n i t u d e 位移云图 如图 3 以及 V o n M i s e s 应力云图 如 图 4 。从图 3中可以看出夹 紧块的最大位移量为 0 ． 5 5 8 9 mm，出现 在 夹 紧块 与夹 紧 液压 缸 的连 接端 ； 从 图 4可 以看 出夹 紧 块 的 最 大 应 力 为 4 7 8 ． 8 MP a ，出现在夹 紧块 的下块与拉杆 接触处。 最大位移量应 小于 1 m m，取 材料 的安全 系数 为 1 ． 6 ，则材料 4 0 C r Mn的许用应力为 5 2 1 ． 9 MP a 。虽 然最大位移量 和最大应力均在合理的范 围内，但 仍有必要对其结构参数 进行优化 ，以提高材料 的 利用效率 ，降低整机重量 。 位 移／mm 罄 0 47 2 3 ⋯ 0 42 9 0 0 38 5 7 0 34 2 4 羲 0 29 91 髓0 25 5 8 籀0 2l 2 5 01 6 9 2 州0、 25 9 矗0 ．0 8 2 6 0 誓 O 0 3 9 31 图3 夹紧块的 Ma g n i t u d e 位移云图 一 71 图4 夹 紧块 的 V o n Mi s e s 应力云 图 3 后处理分析及优化参数 优化设计是指从多种可选方 案 中选择最佳 方 案的一种设计方法。它是建立在数学 中的最优 化 理论之上 ，以现代计算 机技术 为依 托，根据设计 要求建立优化 目标 、设计 变量，在约束条件 的范 围内寻求最佳的设计方案。 首先在软件 中新 建优化设计方 案。然后设 置 优化参数 优化 目标为整个模 型的重量最小 ，约 束条件为模型的最大应力不超过 5 2 1 M P a 预留适 当余量 ；设计变量选择上块的宽度 、上块大端 的 外圆直径以及下块的高度 3个参数，参数的变化范 围限制为 - 4 - 1 5 ％，最大迭代次数 3 0次，其他参数保 持默认值。最后求解优化设计 ，系统开始迭代解算 。 解算完成后，软件 自动调用 E x c e l 生成夹紧块 优化设计迭代 曲线 如图 5 ，从优化设计曲线可 看出共进行了 1 3次迭代，重量由优化前的7 0 ． 7 3 k g 降低到 6 3 ． 9 3 k g 。进入后处理模块 ，查看优化后的 夹紧块的 Ma g n i t u d e位移云图 如图 6 以及 V o n Mi s e s 应力云图 如图 7 。从图 6 、7中可以看出 夹紧块的最大位移量 为 0 ． 6 0 1 8 m m，最大应力为 5 1 5 ． 7 M P a ，本次优化虽然使最大位移量和最大应 力有所增加 ，但仍然在材料的允许范 围内，质量 却降低了6 ． 8 k g ，实现了优化设计 的目的。 一 7 2 一 图 5 夹紧块优化设计迭代 曲线 位移 ／mm 萋 0 ．6 0s s1 8 蘸 0 ． 5 0 8 6 0 4 6 2 0 0 41 5 3 0 3 68 7 囊 0 3 2 2 l 瓣 0 2 7 5 5 臻 0 2 2 8 8 0 1 8 2 2 1 0 ．0 42 33 图 6 夹紧块 的 Ma g n i t u d e 位移云图 图7 夹紧块的V o n Mi s e s 应力云图 4 结论 本文在 U G N X软件平 台中建立 了地下管线液 压换管机 的三维模型 ，基于 N X N a s t r a n有限元分 析模块对其关键部件夹紧块进行 了有 限元分析和 优化设计 。分 析结果对进一步完善整机 的结构设 计提供了数据支持 ，对夹紧块的主要相关参数进行 了优化，提高了材料利用率 ，减轻了加紧块的重量。 基于 N X N a s t r a n的有 限元 分析与优化 ，能够 精确直观地 了解零部件 的受力及变形情况 ，避免 了试制样机 的高成本和长周期 ，提高了产品的市 场竞争力。 参考文献 [ 1 ]罗旭 ，赵明宇 ． F e ma p＆ N X N a s t r a n基础及高级应用 [ M] ．北京清华大学出版社，2 0 0 9 ． [ 2 ] 美罗伯特 D 库克，戴维 s 马尔库斯，迈克 尔 E 普利沙 ．有限元分析的概念与应用[ M] ．西 安西安交通大学出版社，2 0 0 7 ． [ 3 ]原思聪，徐毅 ． 基于 A D A MS的地下管线液压换管机液 压系统建模与仿真[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 0 4 6 1 6 3 ． [ 4 ]陆军坊 ．挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真 [ M] ．成都 西南交通大学，2 0 0 5 ． 作 者 徐毅 地 址西安雁塔路 1 3号西安建筑科技大学 2 7 5信箱 邮 编 7 1 0 0 5 5 收稿 日期 2 0 1 01 2 1 7 起重运输机械 2 0 1 1 6 V ■璧黪 一 一一 弗 毋 嚣搿 嚣茹■ 、 ■- 霹 纂 ． 一 ， 尊 骥辨 舞露 霉蒜 誊 磷 ． ■