彭先勇,陸中良,李受人,王雪萍

(1武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064;2武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品提出越來(lái)越嚴(yán)格的要求.依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)相對(duì)保守,耗材過(guò)多,成本過(guò)高,性能難以達(dá)到最佳.由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向采用CAD/CAE等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì).在保證產(chǎn)品強(qiáng)度、剛度、變形等條件下通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品小型化、輕量化是現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo).液壓油缸作為車(chē)輛,船舶的重要?jiǎng)恿ρb置設(shè)備之一,其小型化、輕量化不僅節(jié)省了材料,減少了生產(chǎn)成本,而且也降低了運(yùn)輸成本,提高了產(chǎn)品的竟?fàn)幜?因此液壓油缸的優(yōu)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.本文以某種型號(hào)的液壓缸為研究對(duì)象,運(yùn)用Ansys Workbench有限分析工具及其優(yōu)化模塊,對(duì)缸壁厚度、活塞行程與應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量等關(guān)系進(jìn)行探討,提出了其小型化、輕量化的最優(yōu)解.

1 液壓油缸系統(tǒng)建模、網(wǎng)格劃分

液壓油缸系統(tǒng)的零件比較多,由于細(xì)部的零件擋環(huán),閥座等部件對(duì)于整體的影響不大,所以建模時(shí)將其忽略.簡(jiǎn)化后模型主要由缸筒部分和活塞部分組成.由于整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),建模時(shí)只須建出其對(duì)稱(chēng)的一半模型即可.系統(tǒng)在活塞桿完全伸出時(shí)工況最為惡劣,所以以活塞桿此時(shí)的液壓油缸為研究對(duì)象.在Pro/E中建模(當(dāng)前缸筒壁厚 25.5 mm,缸筒的內(nèi)徑115 mm,行程1096 mm),簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示.通過(guò)ANSYS Workbench與Pro/E的接口將其導(dǎo)入.采用物理結(jié)構(gòu)自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能,控制單元尺寸為0.01 m,劃分的網(wǎng)格如圖1所示,共含有節(jié)點(diǎn)130867個(gè),單元73224個(gè).

整個(gè)系統(tǒng)有三處接觸:活塞與缸筒內(nèi)壁的接觸,將其定義為無(wú)摩擦接觸;活塞與缸筒底壁部分的接觸,將其定義為不分離接觸;活塞桿與缸筒部分的接觸,將其定義為無(wú)摩擦接觸.

對(duì)于液壓油缸系統(tǒng)的負(fù)載主要有三個(gè),一端鉸的固定負(fù)載,無(wú)桿腔的壓力載荷,一端鉸接的外負(fù)載.無(wú)桿腔工作壓力為31.5 GPa,折算到外負(fù)載的為1200 kN.由于選取了工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行分析,故還要施加對(duì)稱(chēng)約束.加載,得到系統(tǒng)的應(yīng)力、徑向應(yīng)變?cè)茍D(圖2).由圖可以看出,缸筒部分應(yīng)力相對(duì)集中,主要處于100～200 MPa,而且內(nèi)壁部分的應(yīng)力高于外壁部分應(yīng)力,但是相對(duì)于45鋼的屈服極限360 MPa,還有很大的優(yōu)化空間.徑向應(yīng)變也主要集中在缸筒部分.因此缸筒部分是研究的重點(diǎn).

2 理論計(jì)算及影響液壓油缸重量因素分析

影響液壓缸重量的因素主要有缸筒的壁厚、缸的長(zhǎng)度(活塞行程)和缸筒所用的材料.同時(shí)液壓油缸為高壓容器,其缸筒厚度、活塞的行程和材料決定了其能夠承受壓力.因此在壓力一定的情況下,缸筒的輕量化、小型化即對(duì)壁厚和行程的優(yōu)化或者是選用其他的材料.按鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)得如下應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算[1].缸筒應(yīng)力

其中:Di為缸筒的內(nèi)直徑;pc為內(nèi)壓力;δe為缸筒的厚度.缸筒的軸向應(yīng)變

式中:L為缸筒原長(zhǎng)度;Δ l為軸向變形量;E為拉壓彈性模量.缸筒徑向應(yīng)變

由式(1)～(3)可以看出缸筒的應(yīng)力、應(yīng)變與缸筒的厚度、內(nèi)直徑直接相關(guān).分別代入Di=230 mm,pc=31.5 MPa,δe=25.5 mm,E=2.1 GPa,計(jì)算出理論的 σt=158 MPa,ε=0.207 mm,ε'=0.1 mm.與有限元計(jì)算結(jié)果的較為相近,說(shuō)明了有限元計(jì)算可信.因此,以下通過(guò)有限元計(jì)算方式來(lái)進(jìn)行相關(guān)的問(wèn)題研究.

以上計(jì)算結(jié)果和Ansys-Workbench應(yīng)變?cè)茍D可知缸筒部分的應(yīng)變較小,最大的徑向應(yīng)變僅0.1 mm,可不考慮應(yīng)變部分的影響.以缸筒質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo),分別考慮其在材料允許的應(yīng)力范圍內(nèi)的最小化.用Ansys Workbench的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化分析模塊進(jìn)行仿真計(jì)算[2].

2.1 缸筒壁厚與缸筒應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系

控制缸筒的內(nèi)徑和行程不變,定義缸筒的壁厚為變量,由仿真計(jì)算得出其與缸筒的應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系如圖3、圖4所示.

2.2 缸筒內(nèi)徑與缸筒應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系

控制缸筒的壁厚和行程不變,定義缸筒的內(nèi)徑為變量,由仿真計(jì)算得出其與缸筒的應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系如圖5、圖6所示.

2.3 活塞行程與缸筒應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系

控制缸筒的壁厚和缸筒內(nèi)徑不變,定義活塞的行程為變量,由仿真計(jì)算得出其與缸筒的應(yīng)力、質(zhì)量的關(guān)系如圖7、圖8所示.

圖8 活塞行程與缸筒質(zhì)量的關(guān)系

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由以上仿真分析的結(jié)果可以得缸筒的應(yīng)力隨著缸筒的壁厚的增加而減少,隨著缸筒的內(nèi)徑的增加而增加.缸筒的應(yīng)力與活塞行程無(wú)關(guān).因此液壓缸系統(tǒng)的輕量化主要從壁厚和內(nèi)徑著手.以當(dāng)前缸筒壁厚25.5 mm為例闡述其優(yōu)化過(guò)程.

取缸筒的材料為45鋼,其彈性模量取E=210 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7800 kg/m3,屈服極限為360 MPa,取安全系數(shù)為1.5,則材料對(duì)應(yīng)的可以承受最大應(yīng)力為360/1.5=240 MPa.由圖3看出當(dāng)前壁厚25.5 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的缸筒部分應(yīng)力為173 MPa,因此該缸存在優(yōu)化的空間.由圖4可以看出當(dāng)取壁厚17.5 mm左右時(shí),缸筒部分的應(yīng)力大約為239 MPa,此時(shí)材料應(yīng)力性能發(fā)揮到最大.設(shè)定該部分的優(yōu)化的目標(biāo)如下:最大應(yīng)力≤240 MPa,其優(yōu)先級(jí)為最高;質(zhì)量在應(yīng)力滿足條件下取最小值,其優(yōu)先級(jí)次之;變形量?jī)?yōu)先級(jí)最低[3].由計(jì)算機(jī)計(jì)算得到的推薦優(yōu)化解如表1所示.由表1可以看出壁厚取值17.4 mm時(shí)比較合適.將該值再回代入原模型計(jì)算得出相應(yīng)的值如下表2所示.

表1 優(yōu)化解

表2 回代入原模型校核值

表3 優(yōu)化前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可以看出,優(yōu)化以后缸筒部分的應(yīng)力較優(yōu)化以前增加,但仍在安全系數(shù)的范圍內(nèi),應(yīng)變也僅為0.11 mm,但是缸筒的質(zhì)量由135.7 kg降到了101.kg,降低了25%.可見(jiàn)優(yōu)化計(jì)算后的缸筒材料得到更好的發(fā)揮,重量得以減輕.

以缸筒內(nèi)徑做優(yōu)化與以缸筒壁厚優(yōu)化類(lèi)似,不再贅述.換作其他材料時(shí),將相關(guān)材料的性能參數(shù)更改即可,不再贅述.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用ANSYS Workbench的有限元計(jì)算及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,對(duì)影響液壓缸系統(tǒng)的內(nèi)部應(yīng)力因素進(jìn)行了分析.以缸筒壁厚部分的優(yōu)化為例,闡述了在滿足系統(tǒng)應(yīng)力,應(yīng)變要求的前提下,減輕缸筒質(zhì)量.與傳統(tǒng)的方法相比,該設(shè)計(jì)方法提高了材料的利用率,降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本,為此類(lèi)系統(tǒng)的相似部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和其他系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種高效、可行的方法.

[1]全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì).GB 150-1998鋼制壓力容器[S].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[2]李 兵.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京;清華大學(xué)出版社 2008.

[3]浦廣益.ANSYS Workbench12基礎(chǔ)教程與實(shí)測(cè)詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.