基于Ansys的YQK-1250液压机滑块部分结构分析与优化.pdf

1 4 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 3期 2 0 1 2年 3月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 3 0 1 4 2 0 3 基于 A n s y s 的 部分结 Y Q K 一 1 2 5 0液压机滑块 构分析与优化 冰 张广川 淮安信息职业技术学院 ， 淮安 2 2 3 0 0 3 An a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n o n s t r u c t u r e o f s l i d e b l o c k o f t h e YQK一1 2 5 0 h y d r a u l i c p r e s s b a s e d o n a n s y s Z HANG Gu a n g - c h u a n H u a i a n C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y ， H u a i a n 2 2 3 0 0 3 ， C h i n a t 十 ／卜 叶 、 ”十 斤 十 十 十 一 十 十 一 十 、 s十 十 e 1、 毫 、 t十十4 斤 { 、 ”十 1 、” 1 十 、 ”十 十 十 、 ． 【 摘要】 通过了解Y Q K 一 1 2 5 0 液压机的结构原理， 利用S o l i d w o r k s 软件建立了液压机滑块的三维 实体模型， 并且把三维模型导入到 A N S Y S软件中， 通过采用 L a n c z o s 方法分析 了液压机滑块的模态， 得 到 了其前八阶的固有频率和振型， 分析 了液压滑块在各种振型下的结构性能， 并掌握 了其动态的性能。 接 着又把滑块的模型进行参数化 ， 并将优化的 目标确立为滑块的总质量。将子 问题方式引入到优化算 法中来， 通过优化滑块的结构 ， 使其质量达到 了最小， 并且位移和应力的分布规律更加均 匀。 关键词 A n s y s ； 模态分析 ； 优化算法； 结构优化 【 A b s t r a c t 】 B y u n d e r s t a n d i n g t h e s tr u c t u a l p r in c ip l e o f Y Q K一 1 2 5 0 h y d r o p r e s sⅡ3 D m o d e l f o r t h e s l i d e b l o c k of t h e Y Q K 一 1 2 5 0 h y d r a u l i c p r e s s i s e s t a ]g l i s e d b y s o l i d w o r k s ， a n d t h e n t h i s m o d e l i s i m p o r t e d i n t o A n s y s t o c o m p l e t e t h e mo d a l a n al y s i s w i t h t h e m e t h o d L a n c z o s ． and a c q u i r e t h e n a t u r al f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n mo d e ． T h r o u g h a n al y z i n g t h e i r s t r u c t u r e p e rf o r ma n c e u n d e r t h e U o I “i o u 8 v i b r ati o n mo d e s ， t h e 一 n a mi c c h a r act e r i s g o t ． A f t e r t h at， t h e m o d e i s p ara m e t e r i z e d ， and t h e o p t i mi z e d t arg e t s h al l b e d e fi n e d t o b e t h e t o t al m a s s of t h e s l i d b l o c k ． F i n al l y t h e s u b p r o b l e m m e t h o d s h a l l b e i m p o r t e d i n t o t h e o p t i mi z ati o n al go- r i t h m t o o p t i mi z e t h e s t r u c t u r e of t h e s l i d e b l o c k and ma k e t h e m ass t o b e mi n i m u m w i t h d i s p l a c e m e n t a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n b e i n g m o r e u n if o r m ． Ke y wo r d s An s ys ； M o d a l a na l y s i s ； Opt i m i z at i o n a l g o r i t h m ； St r uc t ur e op t i mi z a t i on 中图分类号 T H1 2 ， T G 3 1 5 ． 4 文献标识码 A 1引言 目前，由于我国制造的框架式液压机大部分是利用了拉杆 预紧式， 因此， 我们的研究大部分集中在这类液压机上面_l _q 。 而设 计的对象是 Y Q K 一 1 2 5 0框架式楔块预紧液压机， 预紧方式是采用 楔块。和采用其他 i n 拉杆 预紧式的液压机相比较， 可以发现文 中研究的液压机有很多优点， 比如液压机装起来比较简单及它的 受力更加科学等。 Y Q K 一 1 2 5 0 液压机的结构示意图， 如图 1 所示。液压机工作 过程如下 工作压力由上面的三个工作缸压出， 由液压缸来传递 压力和运动给滑块， 压边力同时由压边缸输出来 ， 而压边缸是被 固定在工作台上面的。这时， 上模和下模在实现合拢借助于上下 压边力的同时作用， 继而完成了单向拉伸作用。 在液压机的使用过程中， 不但要了解液压机机身的动态性 能， 还有必要知道滑块的动态性能。由于液压缸和机身是通过滑 块连接在一起， 因此液压缸和机身之间的连接刚度不牢固。液压 机在其成型精度和效率方面受到滑块固有的振动频率和振型的 影响。因而， 针对液压机滑块进行单独的模态分析非常重要。 9 0 图 1液压机结构不意图 2滑块有限元分析 2 ． 1滑块有限元模型的建立 可以借助多种方式来构造滑块的有限元 f i n i t e m o d e 1 模 型， 这里采用三维 C A D软件 S o l i d w o r k s 建立滑块的三维模型， 而 后导人 A n s y s ， 建模过程省略， 滑块的简化前后的结构图， 如图 2 、 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 2 4 ★基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 0 0 5 1 1 7 ， 江苏省 自然科学基金 B K 2 0 0 9 6 6 2 ， 江苏省高校 自然科学重大基础 理论研究 1 0 K J A4 6 0 0 0 4 ， 江苏省高校 自然科学重大基础研究 O 9 K J A 4 6 o 0 0 1 第 3期 图 3 所示。 张广川 基于A n s y s 的Y Q K 一 1 2 5 0 液压机滑块部分结构 堑 垡 图 2滑块结构图 图3滑块结构模型 Q 2 3 5 材料特性 ， 如表 1 所示。 表 1 Q 2 3 5材料特性 查壁 塑 量 旦 垦 堡 塑 堕堡 坠 塑坠些 7 ． 8 6 E3 2 0 6 2 3 5 4 2 5 0 - 2 9 由于滑块在其整个运动过程中是随着液压缸而动的，并且 其固定点也存在于滑块与液压缸相连处。 所以， 分析时发现， 有六 个自由度需要来约束滑块和液压缸。详细情况， 如图4 所示。 图 4滑块的有限元模型 2 _ 2模态分析结果 通过分析， 选择了兰索斯法 L a n c z o s 用于对滑块的模态进 行分析计算。通过对结果进行分析， 并把前八阶的固有频率与振 型其取出来。滑块的前八阶同有频率。 如表 2 所示。 表 2滑块前八阶固有频率 单位 H z 阶次第一阶 第二阶 第三阶 第四阶 第五阶 第六阶 第七阶 第八阶 频率3 5 ． 4 3 1 3 6 ．5 0 4 6 3 ． 2 7 3 I 】 3 ． 5 1 1 2 0 ．4 3 1 3 0 ． 5 7 1 5 9 ． 7 2 3 1 3 ．2 3 通过读取振型可以发现 ， 前三阶振型最能表现出滑块的动 态特性， 下面就来分析前三阶振型， 如图 5 一 图 7 所示。 图 5滑块第一阶振型 图 6滑块第二阶振型 图 7滑块第三阶振型 从模态分析结果可以看出， 第一阶振型 3 5 ． 4 3 4 H z 主要是 绕着 z中心轴旋转， 这种振型能够决定滑块的导向性， 使滑块和 导柱之间的接触力增加。所以， 滑块导向机构的寿命也会受到影 响。第二阶振型 3 6 ． 5 0 4 H z 主要是绕着 l ， 轴的扭转， 主缸和侧缸 活塞杆的水平一致性将会受该振型的影响， 引起三个液压缸歪 斜。第三阶振型 6 3 ． 2 7 3 Hz 是主要绕 X轴发生扭转， 工作台上平 面与滑块下平面的平行度及滑块与立柱的垂直度受到该振型的 影响， 也会影响加工精度和模具的使用寿命。 3优化算法 3 ． 1优化定义 3 ． 1 ． 1设计变量 D V S 设计变量是一个独立的变量， 即自变量。 并且每个设计变量 都被设定了上限值和下限值。 同时， 也定义了值得变化范围。 最多 不超过 6 0 个设计变量可以在 A N S Y S Y程序优化中被设定 】 。 3 ． 1 - 2状态变量 s v s 状态变量是设计变量的函数， 它可以约束设计变量的函数。 最 多不超过 1 0 0 个状态变量在 A N S Y S 程序优化中可以被设定[2 - 3 1。 3 ． 1 ． 3 目标 函数 目标函数是设计变量的函数， 也就是说设计变量值变化时 会引起 目标函数值的变化。只有一个 目标函数可以在 A N S Y S程 序优化中被设定1 - 3 1 。 3 ． 1 ． 4分析 文件 分析文件是命令流输出的一个文件。 前处理、 求解和后处理 整个的分析过程都包括在里面H 。 3 _ 2优化算法 在 A N S Y S中创建了两种优化算法 o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h ms 零 阶逼 近法 S u b p r o b l e m A p p r o x i ma t i o n Me t h o d 和 一阶法 F i r s t O r d e r Me t h o d 。零阶逼近法又称为零阶法 Z e r o o r d e r M e t h o d 。 3 ． 2 ． 1零 阶方法 在零阶方法中有两个重要概念，目标函数和状态变量的逼 近方法和由约束问题转化到非约束问题的方式。 3 ． 2 ． 2一 阶方法 和零阶方法相同的是， 通过向目标函数添加惩罚函数， 一阶 方法将问题转换成非约束问题。 因变量对设计变量的偏导数用于 一 阶方法。在每一次重复中， 最大斜度法和梯度计算法决定了梯 度计算的搜索方向。非约束问题通过直线搜索法进行最小化 ， 一 1 4 4 机 械 设 计 与 制 造 No． 3 Ma r ． 2 01 2 系列的子迭代组成了每次迭代的过程， 在其中也包括了搜索方向 和梯度计算。相对于零阶方法来说， 虽然一阶方法在计算过程中 数量大， 但是其计算结果非常精确。然而， 精确度高， 不一定就能 够保证其最佳解[5 1。 3 ． 3优化步骤 在 A N S Y S中进行优化设计中， 在 A N S Y S优化计算过程中， 首先 ， 在优化分析时， 设计变量、 状态变量的约束条件、 目标函数、 最优化方法及循环控制模型应该被设置。 然后， 目标函数依据假设 的条件来构造， 约束优化问题被转化成无约束优化的问题， 并进行 迭代计算。 沿着约束空间里的一定方向进行搜索， 并生成一系列的 解。最后， 新的设计变量依据某一法则而形成， 新一轮迭代计算又 开始了。 如果条件不能满足预先设定的值， 迭代计算会继续， 否则， 迭代计算就结束， 结果被输出2 - 3 1 。 4滑块的质量优化 当前，对于液压机方面的优化主要集中在上下横梁的结构 上面。 但是， 滑块是液压机中使用频繁并且最易受到破坏的部件。 不仅仅足因为滑块是滑动部件， 而且因为它是成受力的部分。所 以， 更有必要优化滑块质量。 在这一部分里， 滑块质量成为主要的对象进行优化。 况且液 压机整体数据是在设计之初给定的， 由此确定滑块筋板的尺寸数 据作为设计时候的变量。在整体数据已知时， 板位置和厚度的改 变是滑块质量变化最主要的原因 ， 同时 ， 滑块的整个力学性能和 动态特性也会受筋板位置和厚度的影响。 4 ． 1滑块的数学模型 4 ． 1 ． 1 目标 函数 目标函数确定为滑块质量 的最小值 ， 即m i n M x ⋯⋯ Xn 。 其初始质量是 7 ． 8 e k g ／ m x 4 ． 5 6 m 3 ． 5 5 6 8 1 0 4 k g 。由于质量只 取决于体积和密度， mi n M x l ⋯⋯X n p x mi n V x 1 ， ⋯一 ‰ 。所 以体积出于最小值时目标质量也是最小的， 在优化过程中考虑体 积最小就可以[2 1。 4 ． 1 ． 2设计 变量 由于滑块质量的最小数值涉及到滑块的厚度、长度和密度 等参数。故， 数学模型的设计变量选择滑块内部各筋板的厚度。 1 ～ 5 号筋板的厚度被选作设计变量 ， 分别表示为 C C 、 C 、 C 4 和 C 。约束和初始值的详细数据， 如表 3所示。 表 3设计变量数据表 变量 参数意义 初始值 下限值 上限值 D ． m m 滑块最内侧筋板厚度 3 O 2 0 6 5 D m m 内侧往外第二块筋板厚度 3 0 2 0 6 5 设计变量 D m m 内侧往外第三块筋板厚度 3 0 2 O 6 5 D 4 mm内侧往外第四块筋板厚度 3 O 2 0 6 5 D mm 滑块最外侧筋板厚度 3 0 2 0 6 5 4 ． 1 ． 3状 态 变量 状态变量是设计变量的函数， 也称为因变量。 当确定一个液压 机的构造时， 符合材料强度和刚度的要求是结构设计基本要求。状 态变量选择滑块的最大应力与应变。按照普通横梁的刚度来说， 在 每米跨度 f 的挠度不大于 0 ． 2 ra m， 滑块宽度可以从液压机的参数中 获得， 为4 ． 5 m。由此确定了滑块的许用挠度为0 ． 9 ra m， 也就是滑块 的z向变形必须在许用绕度范围之内。详细数据， 如表4 所示。 表 4 状态变量数据表 变量 参数意义 初始值下限值 上限值 状态变量 6 mm 滑块 Z向变形允许 0 ． 8 2 一 MP a 滑块最大应力允许 9 2 ． 3 8 0 ． 9 l 1 7 4 - 2优化结果 对 比优 化前后 的数 据可得 滑块总 的质量在优 化后 变成 3 ．2 0 1 5 1 0 4 k g ， 减掉了5 5 3 k g ， 大概是 1 ． 5 5 ％， 优化后的结果 ， 如表 5 所示 。 表 5滑块优化数据情况 变量Dl m m 。 mm j 6 o M 姐 P a 优化结果 2 2 ． 1 5 2 7 ．4 3 2 8 ． 6 8 3 3 ． 4 7 3 8 ．6 2 0 ．8 6 1 0 5 ． 9 5 从结果可知， 滑块模型经过优化后， 它的最大等效应力增加 为 1 0 5 ． 9 5 M P a ， 和优化前的质量相比， 增加了 l 3 ． 5 7 MP a ， 即增大 了 1 4 ． 7 ％。并且整个应力分布更趋向于均匀化。滑块模型优化后 在 z 方向的变形量数值最大为 0 ． 8 6 m m，滑块 Z向位移分布 图 略 。优化以后比优化以前的结果是增加了 0 ．0 4 mm， 大概为 4 ． 8 8 ％。总的说来， 即使在优化中减少了液压机的质量， 但是在某 一 角度来说增大了其应力和挠度， 并且这些数值的增加都是在我 们材料设定的范围之内。 5小结 通过分析 Y Q K 一 1 2 5 0 液压机基本结构， 通过 A N S Y S软件埘 滑块结构进行了模态分析。 随后将优化设计基本思想的方法引入 到 A N S Y S中并使其在计算过程中实现。滑块优化的最终日标确 定为质量， 建立其滑块的优化数学模型。 经过分析运算可出下面的结论 滑块总的模型被优化以后 的总质量变成了 3 ．5 0 1 5 1 0 4 k g ， 少了 5 5 3 k g ， 大概是 1 ． 5 5 ％。最 重要的是增大了滑块的最大等效应力 ， 变成 1 0 5 ．9 5 MP a ， 优化后 的最大等效应力 J iJ 了1 3 ． 5 7 MP a ， 即增大了 1 4 ． 7 ％。 并且整个应 力分布更趋向于均匀化。 滑块模型优化后在Y方向的变形量的最 大值是 O ． 8 6 ram， 相对于优化前增加了 0 ． 0 4 ra m， 大约是 4 ． 8 8 ％。 总的说来， 滑块经过优化， 其质量达到了最小的目的， 并且 相对于优化前， 其位移和应力的分布规律更加均匀。 参考文献 [ 1 ] 李贵闪 ， 何 晓燕 ， 荣兆杰． 我国液压机行业 的现状及发展[ J j _锻压装备 与制造技术， 2 0 0 6 4 1 7 1 9 ． [ 2 ] 李 赛华 新 型液 压机结 构分 析与优化设计 [ D] ． 南京 南京理 工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 王力波．大吨位拉伸液压机的组合机身结构分析和优化设计E D ] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 叶宏克 ， 周照耀 ， 邵 明．粉末液压成形设备框架机身的有限元分析与结 构改进[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 3 1 7 9 1 7 1 ． [ 5 ] 刘广君． 液压镦锻机的本体结构分析与优化[ J ] ．秦皇岛 燕山大学， 2 0 o8 ． [ 6 ] A ． G ． C h e h a b ． M． H _E l N a g g a r ． D e s i g n o f e ffic i e n t b a s e i s o l a t i o n f o r h a mm e r s p r e s s e s J ] ． S o i l D y n a mi c s ＆E a r c h q u a k e E n g ． 2 0 0 3 2 3 1 2 7 1 4 1 ．