液压集成块的有限元结构分析.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Ma y 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 1 6 液压集成块的有限元结构分析 吉慧丹 ，林 义忠 ，张忠南 ，阳平 广西大学机械工程学院 ，广西南宁 5 3 0 0 0 4 摘要应用 A N S Y S软件对水轮机电液调速器的液压集成块进行结构静力学分析。并采用 A N S Y S的 A P D L参数化语言 进行建模，计算出在许用应力 1 9 7 MP a条件下，液压集成块两孔道间距的理论最小值为 0 ． 6 4 7 3 5 l n n l ，为集成块孔道间距 设计提供参考。 关键词液压集成块；A N S Y S ；优化 中图分类号T H1 3 7 ． 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 0 0 4 6 3 The Fi n i t e El e me nt St r u c t ur e Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c I n t e g r a t e d Bl o c k J I Hu i d a n，L I N Yi z h o n g ，Z HANG Z h o n g n a n，Y AN G P i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4，C h i n a A b s t r a c t S t r u c t u r a l s t a t i c s a n aly s i s e s o n h y d r a u l i c i n t e g r a t e d b l o c k o f t u r b i n e g o v e r n o r w e r e m a d e u s i n g F E M fi n i t e e l e me n t m e t h o d s o f t w a r e A N S Y S ．Mo d e l i n g w a s r e a l i z e d u s i n g A P D L t o c a l c u l a t e t h e t h e o r e t i c m i n i m u m v al u e b e t w e e n t w o c h a n n e l s a n d t h e r e s ul t wa s 0． 64 7 3 5 mi l l u nd e r a l l o wa bl e s t r e s s 1 9 7 MPa ． I t pr o v i d e s r e f e r e nc e f o r t he de s i g n o f c ha nn e l s d i s t a nc e o f h y dr a ul i c i n t e g r a t e d b l o c k s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c i n t e gra t e d b l o c k；ANS YS；Op t i mi z a t i o n 液压集成块在液压行业得到广泛应用，但是集成 块内部孔道繁多，空间纵横交错 ，孔之间还有干涉限 制，因此为了使设计出来的集成块能可靠的工作 ，应 该对其进行力学分析。作者针对一发电设备企业设计 出的水轮机电液调速系统 的液压集成块进行了 A N S Y S 静力分析 ，为集成块的可靠工作提供了依据 ，并 且为后续的集成块优化设计 提供了条件。同时 ，还研 究 了4 5钢正火条件下 集成块 两孔 道 间在应力极 限下 的理论最小 距离 ，为集 成块 孔 道 间距 的设计 提 供参 考 。 1 液压 系统工作原理 图 1 电液调速器液压系统原理简图 图 1 是该液压系统工作原理简图 ，液压集成块 集 成 了4个阀 ，一个 三位四通 电磁换 向阀 ，两个 电磁球 阀，一个液压锁 。作者把液压系统 的工作过程 分为 4 个工况快进，快退，慢进 ，慢退。其中，快进和快 退是用来开机和关机的，慢进和慢退是在实际频率偏 离额定频率一定值时用来调节水轮机的导页开度的， 慢进是增加导叶的开度，增加水流对转子的冲力，使 水轮机的转速加大，从而使交流电的频率增加；慢退 时情况正好相反 。 2集成块静力学分析 由于液压集成块只是长方体及孔路结构 ，用 A N - S Y S建立几何模型相对简单 ，因此作者直接在 A N S Y S 中建立几何实体模型并进行网格划分，从而避免了从 外部导入模型容易 出错 的问题 。 2 ． 1 液 压 集成块 几何模 型 的 简化 该集成块底面通过 4个螺栓固定安装 ，各 阀的螺 栓孔最终会装上螺栓与阀连接，考虑螺栓和液压集成 块具有近似 的弹性模 量 ，因此 把所有 螺栓孔 省略 掉。 各工艺孔用 螺塞 封 堵 ，所 以也 省略 掉 近似螺 塞 的长 度 。 2 ． 2有 限元模 型 液压集成 块实体模 型较复杂 ，如果用 六面体 收稿 日期 2 0 0 9- 0 5 2 2 基金项目广西大学科研基金项 目 X 0 6 1 1 7 9 作者简介 吉慧丹 1 9 8 6 一 ，女 ，硕士研究生 ，主要研究方 向为机 电液一体化 。电话 1 3 9 7 8 1 7 0 6 9 4 ，Em a i l 2 1 5 9 1 9 7 9 9 q q． c o m。 第 1 O期 吉慧丹 等液压集成块的有限元结构分析 4 7 s o l i d 9 5单元划分 网格 的话 ，很 可能 因为模 型 的复 杂 性 ，六面体划分不出来 ，而全部或部分退化成四面体 单元 ，这样会严 重影响计 算精 度。 因此 通 过 比较 ， 综合考虑现有的可利用资 源程度以及所要求的计算 精度 ，采 用 s o l i d 9 2单 元 ， 自由网格划分 。划分 网格 后整个模 型有 1 5 5 5 7 2个 节 点 ，1 0 9 5 7 3个 单 元 。 有限元模 型如图 2 。 2 ． 3加 栽 图2 液压集成块 有限元模型 施加位移 载荷 。液压集 成块通过底面 的螺栓连接 固定在 支架上 ，因此可 以对集成块 底面 4条边施加 全 约束。 施加 压力载荷。液压集成块的载荷主要来 自3个 方 面 1 阀腔 中的油压 ； 2 液压 冲击 ； 3 液 压机工作时引起的动载荷。该液压系统液压冲击数值 不大，有限元分析时可以不予考虑；而且液压系统中 接有蓄能器 ，不必考虑动载因素的影响。液压集成块 流道长度较短 ，且经过计算 ，得出由于孑 L 路的突变引 起的局部压力损失数值并不大，因此加载时不考虑孑 L 路中的压力损失。以上对载荷进行的简化是在要求的 精度范围及研究的侧重点的基础上进行的，并不导致 分析出错。阀腔中的压力油来 自液压泵 ，液压泵的额 定压力为 2 5 M P a 。表 1列 出各 个 阀腔 的压 力值。 注 三位 五通 大 调 节 阀 1阀 ，小 开 球 阀 2阀 ， 液 压锁 3阀 ，小关球 阀 4阀 表 1 各 阀腔压 力值 MP a 快进 快退 慢进 慢退 快进 快退 慢进 慢退 1阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 3阀 B口0 ． 5 2 5 0 ． 5 2 5 1阀 A口 2 5 O ． 5 2 5 0 ． 5 3阀 T口0 0 2 5 0 ． 5 1阀 B口 0 ． 5 2 5 0 ． 5 2 5 d阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 1 f阋T A 口 0 ． 5 0 ． 5 O 0 4阀 A 口0 0 0 ． 5 2 5 1阀 T B口 0 ． 5 0 ． 5 0 0 4阀 B口0 0 0 ． 5 0 2阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 进油 口 2 5 2 5 2 5 2 5 2阀 A 口 O O 2 5 O ． 5 1阀回油0 ． 5 0 ． 5 0 0 2阀 B口0 0 0 0 ． 5 2阀回油0 0 0 ． 5 0 3阀 P口 0 0 0 ． 5 2 5 4阀回油0 0 0 0 5 3阀 A 口 2 5 0 ． 5 2 5 0 ． 5 2 ． 4求解分析 作者对液 压集 成 块进 行 静力 学 分 析 ，分 4个 工 况 ，见表 1 。各工况下液压集成 块的应力 及位 移图如 图 3 1 0所示 。表 2列出 了各工况下的应力 、位 移的 最 大值 。 N g O3 0 8 ．1 ． 3， e 。 ． 62 G ． O8 ‘ ’ 7 4 1 0 B‘ ’ ’ 孵 n Ⅻ9 图 5 快进工况 V o n mi s e s 应力云图 集成 块 用 的是 4 5钢 正 火 处 理 ，取 安 全 系 数 为 N l{ I ￡ o 8 ．据 控 - 8 ． 6,5 4 “ 0 8 ． 9 J ． ． q 08 ．U ∞ 9 图4 快退工况 V o n m i s e s 应力云图 1 ． 8 ，计算出许用应力为 1 9 7 M P a 。由分析知，4个工 况下液压集成块的应力都小于许用应力，可见集成块 是安 全的。 表 2各工况下液压集成块应 力位移统计 表 工况 应力值／ M P a 位移值／ m 工况应力值／ M P a位移值／ m 快进 1 1 2 1 ． 7 9 e 一 3 慢进 1 1 2 1 ． 7 8 e 一 3 快退 1 1 8 1 ． 7 7 e 一 3 慢退 1 1 7 1 ． 7 6 e 一 3 4 8 机床与液压 第 3 8卷 N 1 9 - Q 3 ． 1 92 - 0 3 ． 箝 3 1 - Q 3 ． 1 3 r 9 ． o a 1 伯 6 图 5 快进工况位移云图 N ． l r ／ E 一 ． 5 ’ 旺 一 O ’ ． 4 g - 03 ， 15 7B ． 00 1 “ 7 1 图6 快退工况位移云图 ．1 2 ∞ 8 ‘ ⋯ ．3 “ t - t C l e ⋯ 一 ． l l m 一～ ．。 7● M ● ⋯～ ．1l 9 图7 慢进工况 V o n mi s e s 应力云图 ．1 3 l t． o ● ． a ． 6s } 州 l } 口 e ， l I 傩 图8 慢退工况 V o n m i s e s 应力云图 搬 豫e , I , Y G 】 ．1 9 髓 一 0 } ． 5 Z - 0 3 ． I Z- G3 ． 。 ol ， ● ， ． C 1 “ ／ 84 图9 慢进工况位移云图 图 l O 慢退工况位移云图 3 最小孔道 间距计算 在传统液压集成块设计 中 ，一般孔道 的距离都取 保守值 ，即大于等于 3 m m，这里作 者给 出一个求 解 孔道距离最小值 的例子，即应用 A N S Y S的 A P D L参 数化语 言进行 建模求解 ，在设计优化模块 中实现 。优 化 目标取两孔 的距离 孔半径取 5 m m ，设计 变量 也取为 两孔 的距 离 ，即 目标变量等 于设计变量 ，状态 变量设为应力 s m a x ，根据给定 的条件 ，集成块材料 为4 5钢正火处理 ，许用应力为 1 9 7 MP a ，则状态变 量必须小 于 1 9 7 M P a 。下 面给出 A P D L程序 后处 理 及优化部分 ／POS T1 ET ABL E，s ma x _i ，NMI S C，5 ES ORT， ET AB， S MAX _I ，0，1， ， l GE T，s ma x i ，S ORT， ，MAX ET ABL E， s ma x _j ，NMI S C，1 0 E S O R T，E T AB，S MAx j ，0，1 ， ， G E T，s ma x j ，S O R T， ，MAX E TABLE， s ma x k，NMI S C， 1 5 E SORT， E TAB，S MAX _ K，0，1， ， GET， s ma x k， S ORT， ， MAX E T A B L E，s ma x _ I ，N MI s C，2 0 下转第 5 4页 5 4 机床与液压 第 3 8卷 点，采用基于虚拟仪器 的测试系统 ，采用计算机和 多功能数据采集卡作为仪器基本构成单元。硬件的主 荸 璺 部 萼l 笾 荤 凳 H囊 餐 韶 H 磊 黎 紫 擎 I 计 算 机 、传感器、信号 L 。 卞 一 调理单元、程控切换单 笪 呈 塑 一 ．_』 1 ． 一 元、 多功能数据采集卡，I 壁 堡 一 j ’ 垄 _几_ 硬件的组成框 图如 图 2 图2 硬件组成框图 所示 。 各种传感器用于接收、感应测试过程中各种待测 物理量 ，如压力、流量、时间等。信号调理单元主要 由传感器配套电路、信号处理 如信号放大或衰减、 信号滤波 、信号屏蔽 、限幅、隔离 等单 元组成 ，用 于将传感器输出的不规则信号变换成符合 A ／ D工作要 求的规则信号。数据采集接口卡由模拟多路开关、信 号变换预处理单元组成 。信 号变换预处理单元 主要完 成不同种类信号的处理，为微机的数据采集做准备， 该单元主要由一次仪表电路、传感器配接电路、信号 滤波电路、放大隔离电路等组成，使各种被测对象转 变成可供使用的模拟量。在具体结构上，采用模块化 积木式设计。计算机依照程序控制 I c式微型继电器的 通断，继而完成对测试信号的分时分批采集。 3 ． 2 ． 3 测试系统软件 在上述以工控计 算机 为 核心的硬件平台支持下 ，检 测系统通过 组合不 同功 能的 测试软件来实现多种仪器的 功能。基于虚拟仪器的测试 软件主要分为测控系统管理 层 、应 用 软 件 开 发环 境 层 、 仪器驱动层和 I ／ O接 口层。 软件结构如图3所示。 结合部队的实际需要 ， 作者开发 了数字示 波器 、数 字 I ／ O、计 数 器 、计 时 器 、 信号分析仪等模块。通过面 板 可 进 行 采 集 卡 的参 数 设 仪器 控制 对象 选择 结 果 分析， 显 示 测控 系 统管 理层 应 用 软件 开发 环境 层 一 串 I 1 设 备驱 动程 序 D AQ 驱 动程 序 测控系统管理层 ’ 1 I ， o 接口 层 I f 测控 对象 f 图3 测试系统软件结构 置 ，初始化和通道选择 ，以及数 字 [ ／ 0、计数器 、计 时器、信号分析仪的各种设置。 4结论 介绍了液压 C A T技术、液压 C A T系统的组成和发 展现状以及液压 C A T技术在某型高炮炮闩液压润滑系 统测试 中的应用。通 过测 控软件控制交 流变频器 ，实 现了测试的自动化，采用虚拟仪器技术简化了测试系 统设备，降低了成本。经试验 ，该测试系统符合该高 炮的相关测试要求 ，操作简便，适合部队需求。 参考文献 【 1 】雷天觉， 杨尔庄， 李寿刚． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】江小霞， 林少芬， 李叶妮， 等． 工程机械液压测试系统的 研 发与应用 [ J ] ． 福州 大学学报 自然科学 版， 2 0 0 8 1 0 7 0 4 7 0 8 ． 【 3 】时连君 ， 李新平． 基于 C A T的大型液压元件测试系统的 研制[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 9 5 2 4 2 6 ． 【 4 】 胡仁喜 ， 王恒海 ， 齐东明， 等． L a b V l E W 8 ． 2 ． 1 虚拟仪器 实例指导教程[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 5 】 苏东海， 佟守举． 虚拟仪器技术在电液比例阀计算机辅助 测试系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 3 1 4 71 4 9 ． 上接第 4 8页 ES ORT，TAB， S MAX L，0， 1， ， GET， s ma x l ， S ORT，，MAX S E T，s ma x l ，s ma x i s ma x j S ET．s ma x 2。s ma x ks ma x l S ET，s ma x， s ma x ls ma x 2 OP ANL， b p t i mi z a t i o n． 1 g w． OP VAR， C， DV，0， 1 0，0． 01， OP VAR， S MAX ，S V， ， 1 9 7 0 O 0 0 0 0，0 ． 01， OP VAR， L，OB J， ， ，0 ． 01， OP TYP E， S UBP OP S UB P，3 0 OP 在优化过程中 ，程序实 际循环 8次 。优化结果两 孑 L 最优距 离为 0 ． 6 4 7 3 5 m m，即在 许用 应力 1 9 7 MP a 的条件下允许的最小距离。距离最小时，应力值为 1 9 3 ． 5 8 M P a 。特别说 明，在实际设计 中，还要考 虑加 工工艺 等的影 响 ，并要考虑安全系数 。 4结束语 作 者应用有 限元软 件 A N S Y S对 液 压集成 块 的结 构进行静力学分析 ，并计算 了一定条件下集成块两孔 道间距 的允许最小值 ，为液压集成块 的设计质量提供 了参考 ，同时也对液压集成块 的结构优化具有一定的 指导意义 。 参考文献 【 1 】 章宏甲， 黄宜． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 04． 【 2 】 罗经． 液压集成块孔道流场性能分析与研究[ D ] ． 景德 镇 景德镇陶瓷学院， 2 0 0 5 ． 6 ． 上接第 1 0 0页 【 4 】姚碎全． 浅谈液压缸密封件的装配[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 1 2 1 31 4 ． 【 5 】徐莹， 况良华 ， 杨波， 等． 摩托车发动机油封渗油的原因 及其防范措施[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 1 1 3 8 4 0 ． 【 6 】 德 M u l l e r H K ， 英 N a u B S ． 流体密封技术 原理与 应用[ M] ． 程传庆， 译． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． 7 ．