趙樹國 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，河北 邯鄲 056005)

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基于Creo的液壓缸設(shè)計(jì)及優(yōu)化

趙樹國 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，河北 邯鄲 056005)

液壓缸是液壓系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的性能。利用Creo軟件對(duì)液壓缸進(jìn)行三維建模和受力分析，得出缸體的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖。利用Creo軟件自身的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)液壓缸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)合理。

液壓缸；設(shè)計(jì)；Creo；優(yōu)化

0 引言

隨著我國液壓技術(shù)的發(fā)展，作為能源轉(zhuǎn)換的液壓缸在工程機(jī)械和礦山機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓缸是液壓系統(tǒng)中的核心部件，新設(shè)計(jì)的液壓缸的性能對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)起著決定性的作用。新設(shè)計(jì)的液壓缸如果剛度和強(qiáng)度不能滿足實(shí)際要求，就會(huì)出現(xiàn)液壓缸的爆裂、脹裂、斷裂、扭曲等現(xiàn)象，爆裂的液壓缸如果液壓油壓力較大，還有可能對(duì)設(shè)備和人造成二次傷害。而過度增加安全系數(shù)，如增加液壓缸的壁厚或底厚又會(huì)使得液壓缸的重量增加，還增加了制造和安裝的難度。

目前液壓缸的設(shè)計(jì)還沒有一種先進(jìn)、通用、可靠的設(shè)計(jì)分析方法，對(duì)液壓缸的應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核、剛度校核等分析還不成熟。新設(shè)計(jì)的液壓缸采用樣品和人工校核的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能提升設(shè)計(jì)效率。而采用數(shù)字化仿真技術(shù)，不但可以省時(shí)省力，還能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Creo軟件在眾多軟件中有著較多的優(yōu)點(diǎn)，本文采用Creo軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 建模

本次設(shè)計(jì)的大型液壓缸為某設(shè)備的400T的柱塞液壓缸。設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)為液壓缸內(nèi)徑450mm，液壓系統(tǒng)提供的系統(tǒng)壓力為21MPa。

利用Creo軟件進(jìn)行三維建模。建模過程中用拉伸、凸臺(tái)和旋轉(zhuǎn)等一系列命令可建立液壓缸的實(shí)體模型，如圖1所示?？紤]到模型的對(duì)稱性，在進(jìn)行分析時(shí)可以簡(jiǎn)化成半個(gè)模型進(jìn)行分析，這樣有利于軟件對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，縮短計(jì)算時(shí)間。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

2 材料選擇和施加載荷

首先對(duì)缸體的材料進(jìn)行設(shè)置，選擇45號(hào)鋼，密度為7.8e5tonne/mm3，泊松比為0.28，楊氏模量為2.1e5MPa。設(shè)置完材料之后進(jìn)行劃分網(wǎng)格。單元網(wǎng)格劃分的越密，單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)就越多，計(jì)算的結(jié)果就越精確。但當(dāng)單元網(wǎng)格劃分細(xì)到一定程度時(shí)，計(jì)算的精度將不會(huì)有明顯的提升，而計(jì)算機(jī)的計(jì)算量卻成倍增加，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間成指數(shù)增長(zhǎng)。在分析零件受力時(shí)對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變不大的區(qū)域可以不進(jìn)行細(xì)分網(wǎng)格。在本設(shè)計(jì)中，缸壁、缸底和進(jìn)油口受到高壓油的作用，故對(duì)這三個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。在AutoGEM選項(xiàng)中，類型選擇“最大元素尺寸”，參照曲面選擇缸壁、缸底和進(jìn)油孔，元素尺寸定義為10mm。進(jìn)行網(wǎng)格創(chuàng)建，創(chuàng)建了320個(gè)元素和10005個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)用時(shí)5.18分鐘。而將元素尺寸定義為20mm時(shí)則創(chuàng)建了8401個(gè)元素和2839個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)用時(shí)僅為0.43分鐘。采用后一種尺寸進(jìn)行創(chuàng)建的模型如圖3所示。對(duì)模型的固定約束加在頭部的底面，全部約束，自由度為零。由于采用了對(duì)稱模型，故在中間面添加對(duì)稱約束，以模擬整個(gè)液壓缸模型的載荷情況。根據(jù)液壓缸的直徑和舉重力可粗算出施加載荷為21MPa，將載荷施加在模型的進(jìn)油口、缸體底面和缸體內(nèi)表面，如圖4所示。

3對(duì)缸體進(jìn)行受力分析及優(yōu)化

1)靜力學(xué)分析

對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖5所示。從缸體受應(yīng)力圖上可以看出進(jìn)油口處的最大應(yīng)力為219MPa,油缸壁和油缸底面接觸處的最大壓力為133MPa，油缸壁中部的壓力為89MPA。分析缸體應(yīng)力圖可知初步設(shè)計(jì)的液壓缸進(jìn)油口處和油缸缸壁與底面接觸處的部分所受應(yīng)力加大，設(shè)計(jì)不合理。

對(duì)缸體位移進(jìn)行分析，圖如圖6所示。從位移圖上可以看出油缸底部的最大位移為0.132mm,油缸中間外壁的位移是0.095mm，內(nèi)壁的最大位移是0.106mm。分析位移圖可知缸體中間部分的變形量基本能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，位移不是很大，能滿足油壓缸密封的要求，但是初步設(shè)計(jì)的油缸底部變形量較大，不太合理。

2)手動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，為了減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，先對(duì)液壓缸進(jìn)行手工改進(jìn)設(shè)計(jì)。為減少液壓缸的最大應(yīng)力，對(duì)兩處受力較大的部位首先進(jìn)行倒圓角操作，對(duì)位移量較大的缸底進(jìn)行加厚操作。改進(jìn)后的液壓缸的應(yīng)力圖如圖7所示。

從改進(jìn)后的模型的受力圖上可以看出應(yīng)力有所減小，進(jìn)油口的應(yīng)力變成186MPa，應(yīng)力減小了15%，油缸壁和油缸底面結(jié)合處的應(yīng)力有所減小，但變化不夠明顯。

改進(jìn)后的液壓缸的位移圖如圖8所示。

從圖8可以看出改進(jìn)后的液壓缸底部的最大位移為0.125mm,底座加厚后位移變形量減小了3.8%。這是因?yàn)榈鬃雍竦木壒?。油缸中間外壁的位移是0.093mm，內(nèi)壁的最大位移是0.103mm。油缸中間外壁基本上沒有變化，內(nèi)壁的位移的變化從0.106mm減少到0.105mm，位移量有所減小。

3)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)Creo軟件提供的功能，下面對(duì)缸體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前對(duì)缸體進(jìn)行局部靈敏度和全局靈敏度分析，通過靈敏度分析可以找出對(duì)液壓缸設(shè)計(jì)影響較大的設(shè)計(jì)尺寸，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選擇影響較大的尺寸作為優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化后的應(yīng)力圖如圖9所示，位移圖如圖10所示。

優(yōu)化后缸體底部與缸壁的結(jié)合處的應(yīng)力比原來設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)力減小了30%，系統(tǒng)的安全系數(shù)上升為2,符合設(shè)計(jì)的要求。缸體的缸壁部分位移比原來設(shè)計(jì)時(shí)減少了10%，能夠達(dá)到液壓系統(tǒng)密封的要求。優(yōu)化后油缸的總重減少了18%，減輕了液壓缸的重量。

優(yōu)化后的液壓缸投入生產(chǎn)，對(duì)實(shí)體進(jìn)行實(shí)際的受力分析，分析結(jié)果與軟件的分析結(jié)果進(jìn)行比較，兩者分析一致，軟件分析符合實(shí)際的情況。證明了本次設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)論

(1)采用Creo軟件直接進(jìn)行建模和受力分析，避免了使用一種建模軟件建模，然后再將設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入到其他分析軟件中進(jìn)行受力分析，節(jié)省了設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率；

(2)優(yōu)化了缸體的結(jié)構(gòu)，通過Creo軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得缸體的壁厚和底厚更加合理；

(3)改善了液壓缸的受力情況，優(yōu)化了缸體最大受力部分的受力情況，提高了產(chǎn)品的使用壽命；

(4)優(yōu)化后的缸體減少了重量，使缸體的重量減少了18%，節(jié)約了成本。

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[責(zé)任編校：張彩紅]

2016-09-15

趙樹國，男，河北邯鄲人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師。

TH137.51

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1009-5462(2016)03-0049-03