基于液压仿真和有限元的试验设备关键零件优化设计.pdf

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2 0 1 2年 5月 第 4 0卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE T00L & HYDRAUL I C S Ma v 2 01 2 Vo 1 . 4 0 No . 1 0 D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 13 8 8 1 . 2 0 1 2 . 1 0 . 0 2 7 基于液压仿真和有限元的试验设备关键零件优化设计 杨春晖,王建国,李京山,刘平 北京特种车辆研究所 ,北京 1 0 0 0 7 2 摘要根据液气悬挂装置性能测试试验台的工作原理和试验要求,建立了其静功能测试模块液压系统的仿真模型,通 过仿真得到了关键零件轴向固定器的载荷曲线。依据载荷曲线及载荷性质,对轴向固定器进行 了有限元优化,得到了 最终的优化设计结果 。 关键词液压仿真;有限元;优化设计 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 00 8 4 3 Opt i mi z a t i o n De s i g n f o r Ke y Pa r t o f Ex pe r i me nt a l Eq ui pme nt Ba s e d o n Hy dr a u l i c Si mu l a t i o n a n d FEM YA NG C h u n h u i ,WANG J i a n g u o,L I J i n g s h a n,L I U P i n g B e i j i n g S p e c i a l V e h i c l e R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ,C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o e x p e r i me n t r e q u e s t s a n d wo r k i n g p r i n c i p l e s o f l i q u i d g a s s u s p e n s i o n d e v i c e p e r f o r ma n c e t e s t r i g ,s i mu l a t i o n mo d e l o f h y dr a ul i c s y s t e m o f i t s s t a t i c f u nc t i o na l t e s t mo du l e wa s e s t a b l i s he d . Th r o u g h s i mu l a t i o n,t h e l o a d cu r ve o f t he k e y pa r t a x i s d i r e c t i o n r e t a i n e r w a s g o t t e n . B a s e d O H t h e l o a d c u r v e a n d l o a d c h a r a c t e r , F E M o p t i mi z a t i o n wa s d o n e f o r a x i s d i r e c t i o n r e t a i n e r . A n d o p t i mi z a t i o n d e s i g n r e s u l t s w e r e o b t a i n e d . Ke ywor ds Hy d r a u l i c s i mul a t i o n; FEM ; Op t i mi z a t i o n de s i g n 某特种履带车辆 的悬 挂装置采 用液气 悬挂装 置 。 该液气悬挂装置可实现车辆静止时车体高度的调节、 履带松紧度的调节以及在车辆行驶中起到液气弹簧的 减振作用 。为保证该装置生产成品的可靠性 ,根据 该 型液 气悬挂装 置的试验 大纲 ,需要研制该液气悬挂装 置性能测试试验台。 试验 台分静功能测试模块和动负荷测试模 块两部 分。根据试验大纲要求 ,为保证车体高度调节功能和 履带松 紧度调 节功能的实现 ,静功能测试模块需在规 定时间 内对备试件平稳加载 ,主要测试备试件在规定 载荷下 ,活塞杆伸缩是否正常 ,密封是否合格 ,有无 漏油漏气 ;动负荷测试模块主要实现液气弹簧的功能 和密封性 能的测试 。在静功 能测试模块 中,为 了保证 加载时液气悬挂装置的轴向固定可靠,需要根据试验 设备总体设计思想和设计空间设计 出结构简单 、拆装 方便且质量较小 的轴 向固定器 。为 了实现轴 向固定器 的合理设计,需要研究其所受载荷特性并进行优化设 计 。 1 载荷特性研究 1 . 1 工作原 理 该液气悬挂装置采用分体结构,主要由蓄压器和 动力缸组成 ,二者之问用油管相连。蓄压器主要集成 有控 制阀块 和油气作用室 ,控制 阀块主要控制悬挂装 置的进 、回油状 态和闭锁状态转换 ,油气作用室主要 通过浮动活 塞实 现液 压油 和高 压气 体之 间 的相 互作 用 。动力缸主要 由液压缸筒和活塞杆组成 ,活塞杆通 过平衡肘与车辆的负重轮相连 ,起到支撑车体的作 用,液压油腔通过油管与蓄压器的液压油腔相连从而 形成密 闭液压油腔 ,通过 蓄压器 上的控制 阀控制液压 油的流动及活塞杆 的伸缩 。当液气悬挂装置处 于充放 油状态时 ,通过控制充放油 的油量 ,从而控制活塞杆 伸缩的长度 ,在不同的工况下 ,进而控制车体上升或 下 降的高度 ,或者是控制履带调整器调节履带 的松 紧 度。车辆行驶 时 ,控制 阀块闭锁 ,液压油 和高压气 体 相互作 用 ,起 到液气 弹簧 的减振作用 。 在静功能测试 中 ,备试件分别为动力缸和履带调 整器 。由于动力缸和履带调 整器 为结构相 同功能不 同 的部件 ,且履带调整器 的工作压力远小于动力缸的工 作压力,即所受工作载荷远小于动力缸的工作载荷, 因此只要设计的轴向固定器满 足动力缸 的工作需要 即 可 。 1 . 2液压仿 真 根据液气悬挂装置性能测试试验台的工作原理和 工作要求,建立了静测试模块液压系统的液压仿真模 收稿 日期 2 0 1 1 0 41 2 作者简介杨春晖 1 9 7 9 一 ,男,工程师,主要从事履带式或轮式特种车辆的维修保障、设备研制等研究工作。Em a i l y c h y c h 1 6 3 . c o n。 第 l 0期 杨春晖 等 基于液压仿真和有限元的试验设备关键零件优化设计 8 5 型。针对研究 对 象及 研究 目标 的特 点 ,模 型相 对 实 际液压系统进行了如下简化针对动力缸所受载荷最 大时为车体上升的工况 ,因此只研究充油工况 ,换向 阀简化 为两位 三通 阀。 模型中相关模块的参数设置如下系统工作压力 1 2 M P a ;蓄压器气体充气压力 8 . 8 MP a ,最大容积 1 L ;动 力缸活塞直径 7 5 m m;弹簧 刚度 3 3 4 5 3 0 N m; 根据试验大纲的要求 ,动力缸与蓄压器间的油管为长 2 . 3 m、内径 8 m m的软管。根据系统工作要求,设 定时间为 2 0 S 。液压仿真模型如图 1 所示。仿真结果 如 图 2 、图 3所示 。 6 0 S0 Z 4 O 覆0 0 铺 2 0 l 0 O 图 1 液压仿真模型 1 4 l 2 日 1 0 皇 8 杂 6 4 2 0 0 5 l 0 1 5 2 0 0 5 1 0 1 5 2 0 时 间, s 时 间, s 图2 动力缸载荷 图3 液压油油压和蓄压 仿真结果 器气压仿真结果 由仿真结果可知,动力缸所受载荷在 t 1 7 S 时 趋于平稳 ,平稳值约为5 3 0 0 0 N,液压油油压和蓄压 器气压也在 t 1 7 s时趋于平稳,平稳压力约为 1 2 M P a ,与系统工作压力一致。图中动力缸载荷曲线和 液气压力曲线,在 t 9 s 时上升斜率均有一个变化, 这是由于液压油压力从低 于蓄压 器充气压力到达到蓄 压器充气压力并随后与高压气体互相作用的变化结 果。由图3 可知 当液压油油压达到蓄压器充气压力 后,高压气体受到液压油作用体积被压缩,其气体压 力随液压油油压一起上升直至达到稳定工作压力 。此 时,由仿真结果可知动力缸活塞杆伸出长度约为 1 5 8 m m,满足工作行程要求 ,且其曲线变化与动力缸所 受载荷曲线变化一致。 分析液压仿真结果可知 动力缸所受载荷随时间 平稳变化 ,最终达到最大值 5 3 0 0 0 N,其变化过程满 足试验大纲 中关 于静功能测试 的相关规定 。 2轴 向固定器的优化设计 根据 静功能测试 的试验要 求,设计 了动力缸 履带调整器 的测试支座 ,并 固定安装 在试验桌 面 上 ,支座结 构如 图 4所 示 。动 力缸 缸筒 固定在 动力 缸 固定座 3 上 ,并用销轴 4穿过其端部销轴孑 L 插人 轴向固定器 1中,进行轴向固定 ,活塞杆端部通过 销轴 4与弹簧端座相连,从而与弹簧 5相连 。当动 力缸 2充 油时 ,液 压油 推 动活 塞杆 伸 出 ,从 而压 缩 弹簧 5 ,动力缸 2被加载;当动力缸 2放油 时,在 弹簧 5的作用下 ,活塞杆缩回缸筒 内,完成一次测 试。受各种因素的影响 ,轴向固定器 1 设计为悬臂 形式 ,通过螺栓 固定在动力缸固定座 3上。为减轻 质量并结构合理 ,同时保证强度和刚度 ,特对轴 向 固定器 进行优化 设计 。 / 一一 一 一 戆 L . 一 -_L.鐾 , n_n 一 群 \ I , 广1 I I J ‘ i | ., 、 , ’、 。 、 。 ’、 j / l 一轴 向固定 器 2 一动 力 缸 3 一 动力 缸 固定座 4 一销 轴 5 一 弹簧 图 4 动力缸测试支 座 以质量最小为优化目标 ,最大应力值为约束,并 以液压仿真得到的动力缸所受的平稳载荷 5 3 0 0 0 N 设定其约束范围为0~ 2 4 0 MP a 。根据初始设计结构 , 为加载力进行有限元优化分析 ,三维模型如图 5 以连接板厚度 图 5中 o 和固定板厚度 图 5中 所示。 b 为优化变量,并设定各 自的初始值分别为 2 0和 经优化分析运算后 ,两个优化变量的优化曲线如 1 5 m l n ,变化范围分别为 1 0~ 3 0 to n i 和 7 . 5~ 2 2 . 5 m l n 。 图 6所示 ,约束的变化 曲线如 图 7所示。 8 6 机床与液压 第 4 O卷 图 5 轴 向固定器三维模型 l 一 连接 板厚 度 2 一 固定 板厚 度 图 6 优化变量 的 优化 曲线 日 塞 斗 图 7 约束 的变 化曲线 由优化曲线可知,经 1 1 次迭代后得到优化结果。 连接板和固定板的优化值分别为 1 4 . 7和7 . 5 m m,经 圆整后分别取 1 5和7 . 5 B i n 。轴向固定器的最大应力 值出现在连接板与圆柱形销轴套连接部的上部,优化 后 的最 大应力值为 2 1 5 MP a ,与初 始形状 的最大应 力 值 2 1 0 MP a 相比略微增加。优化后的最大位移值约为 0 . 1 5 m m,出现在圆柱形销轴套 的外侧顶部 。轴 向固 定器 的质量则 由初始 的 6 . 5 k g 减小 到 4 . 9 5 k g ,减少 约 2 4 % 。 由分析结果可知 此次优化在保 证强度 和刚度 的 条件下,明显地降低 了优化对象 轴向固定器的 质量 ,达到了优化设计 的 目的。 3结论 通过上述液 压仿 真 与优 化设 计 ,可得 到如 下 结 论 1 通过 液压 仿真分 析 可增加研 究 对象 所受 载 荷信息的可靠性和可信性了解载荷的变化特性 ,从而 有效地指导后续优化设计和分析; 2 通 过优化 设计 等手段 可得 到更 加科 学 的设 计结论 ,有利于设计 出合理 的产 品 ; 3 利 用液 压 仿真 分 析 和有 限元 法联 合 设 计 , 可提高分析结果和最终设计结果的可靠性和准确性, 提高工作效率 。 参考文献 【 1 】 马昌 训 , 吴运新, 唐宏宾 , 等. 基于 N e l d e r M e a d 算法的插 装阀 A M E S i m仿真模 型优 化设计 [ J ] . 机床与液压 , 2 0 1 1 , 3 9 1 8 6 8 8 . 【 2 】 江玲玲, 张俊俊. 基于 A M E S i m的液压位置伺服系统动 态特性仿真[ J ] . 机械工程与自动化, 2 0 0 7 1 3 5 3 7 . 【 3 】 赵志国, 余洋, 鲁冰. 基于 A M E S i m的轨道架线车升降平 台液压系统仿真[ J ] . 机床与液压, 2 0 1 0, 3 8 2 4 6 1 6 3. 【 4 】 王温锐 , 赵继云, 谢腾飞, 等. 液压支架大流量安全阀动 态性能试验系统仿真 [ J ] . 矿山机械, 2 0 1 0 , 3 8 2 3 l 21 4. 【 5 】陈伟 , 杜长龙, 夏丽建, 等. 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h 采煤 机行走 轮与销轨啮合 瞬态动力分析 [ J ] . 矿 山机械, 2 0 1 1 , 3 9 2 2 02 3 . 【 6 】 华剑 , 周恩柱, 李超. 基于 S o l i d w o r k s 的行星架有限元分 析及优化设计[ J ] . 煤矿机械, 2 0 1 1 , 3 2 1 2 42 6 . 【 7 】 刘凯 , 张安宁, 叶国徽. 基于 A N S Y S的带式输送机传动 滚筒的有限元分析 [ J ] . 煤矿机械, 2 0 1 1 , 3 2 1 1 0 1 1 0 2 , . 卜 “ “ ” “ “ ” ” “ ” ” ” ” ” . 卜 “ 。 十“ ” “ ” ” ” ” ” “ ” ” “ ” “ “ ” ” . 卜 ” ” ” “ _ 卜 ” “ ” “ ” ” 、 2 0 1 2 年机床附件行业发展的良好环境t t 我国机床的功能部件虽然从 “ 小件” 、“ 配套件”的地位提升到 “ 关键岗位”并受到重视,但一直 j i是在 “ 重主机 、轻配套” ,“ 重洋轻土”这样的大环境中逆水行舟、艰难成长。长期以来我们对功能部 i 件关注不够,在功能部件上无所作为很难使我们的机床产业上一个台阶,购买国外的功能部件只能使我 j们的产业缺乏竞争力。 j i 我国滚动功能部件产业是土生土长的民族工业,有着4 0多年的发展历史 ,行业虽小 约 6 0多家企 i 业却有一批从上世纪6 0 年代 “ 精密机床全国会战”中成长起来的骨干企业。在生产规模、 硬件设施 t等方面与国外同行不相上下。再加上近几年出现的一批新生的企业 ,行业竞争越来越激烈 ,我们应为机 j j床附件行业提供一个好的公平的竞争环境。这才能促进行业更进一步发展。 i { 国产机床附件市场走俏 t t 最近几年,随着国民经济快速稳定发展,装备制造业的振兴以及整个制造业技术升级和国防现代化 j i 需求加大 ,在固定资产投资较快增长的拉动下,我国机床附件工具市场呈现产需两旺的态势,代表装备 i } 制造业先进水平的数控机床生产更是乘势而上。 { t 强劲的市场需求 拉动 ,促使 国内机床工具行业 出现 了产销畅旺的局面 ,机床 附件行 业在强大 的需 求 ; 之下也是如虎添翼,奋力前进。 内容来源中华机械 网 l .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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