液压机上横梁有限元分析及结构优化.pdf

文章编 号 1 6 7 2 0 1 21 2 0 1 3 0 5 0 0 3 8 0 3 液 压 机 上 横 梁 有 限元 分 析 及 结 构 优 化 曹 文钢 。曾金越 合肥 工业 大学 机械 与汽 车工程 学 院， 安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 以某 型液压 机上 横梁 为对 象 ， 利用 分析 软件建 立上横 梁 的有 限元模 型并进 行静 力分析 计算 。在上 横 梁强度 和 刚度 校核 的基 础上 ， 利用分 析软件 结 构优化 模块 对上横 梁分 别进行 拓扑优 化和 尺寸优 化 ， 实现 结 构优 化 ， 减 轻上横 梁 重量 。 关键 词 机械 设 计 ； 液压 机 ； 上横 梁 ； 有 限元 法 ； 结构 优化 中图 分类 号 T G3 1 5 ．4； T H1 2 3 文献 标识码 A 0引 言 四柱 液压机 是制 品成形 生产 中应 用最 广泛 的装 备之 一 。 它 主要 由液 压缸 、 上横 梁 、 滑 块 、 立 柱和 工作 台等组成 ，其 中上横 梁 主要 用来 安装 液压 缸并 承受 液压 缸 的反作 用力 ， 它 的结 构形 式较 为复杂 。 传 统方 法将 横梁 简化 成简 支梁 ，采用 材料力 学简 化计 算横 梁 刚度 和强度 ， 但这 种方法 具有 设计 周期 长 、 结 构考 虑 不全 和材料 浪费 等弊端 l l l。 利 用 Hy p e r Wo r k s软 件 ，对 该 液 压 机 的 上 横 梁 进 行参数 化建 模 ， 校 核上 横梁 强度 和刚度 ， 并且 对 上 横 梁进行 优 化设计 ，既保 证 安全生 产又 达到结 构 优 化 和 重 量 减 轻 的 目的 。 1 液压 机 上横梁 结构 有 限元 分析 1 ． 1 上横 梁有 限元模 型 的建立 如 图 1所 示 为上 横 梁模 型 图 ，主要 为 Q 2 3 5钢 板 焊接 而成 的箱体 ， 箱 体对称 分 布 。 液 压缸 通过 连接 法兰 与滑块 连接 ， 上横 梁通 过立 柱和螺 母 与滑块 、 工 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 7 作者简介 曹文钢 1 9 5 7 一 ， 男， 教授， 从事数字化设计与制造、 C A D ／ C AE等教研 图 1 上横梁模型 图 作 台相连 接 。从 整体 而 言 ，上 横 梁 的受力 情况 可 以大 体看 成横 向 和 纵 向 的 对 称 分 布 ，为 了节 约 资源 和 时 间 ， 取 上 横梁 的 1 ／ 4 模 型 进 行 静 力 分 析 。 在 对模 型有 限元 分析 前 ， 需 要根 据等效 原理 对模 型作必 要简 化 ， 保 留起 主 要作 用 的 因素 而忽 略 如螺 钉 孔 、 销 孔 、 吊耳 、 铸 造 圆 角等 局部 结构 。 图 2为上 横梁 1 ／ 4模 型 网格 实 体 ，采 用 软件 自 动划 分 ， 三维单 元 总数 3 1 5 2 9 1 。Q2 3 5材 料 比较廉价 但 有较好 的韧性 和 塑性 ，其材料 力学 性 能如 表 1所 示 。 上 横梁 主要受 液压缸 作用 力和 立柱 螺母 的约 束 力 。假设 载荷 无偏 心均匀 分布 在液压 缸 与上 横梁 的 接 触有 效环 面上 ， 上横梁 的载荷 和 约束如 下_ 2 _ 3 ] 1 液压 缸对 上横梁 的作 用力 。 主要均匀 分 布在 接 触有 效环 面上 ， 大小 为 3 ． 1 5 MN， 方 向 向上 。 2 立柱 螺母对 上横 梁 的作 用力 。 均匀 分布在 立 柱 与上横 梁 的有效 接 触 面 上 ， 大 小 为 0 ． 7 6 MN， 方 向 S t u d y o n b l a n k i n g s t r u c t u r e o f l a r g e t o n n a g e o i l p r e s s S U N Ga n g ， ME NG L i n g w u P r e s s i n g w o r k s h o p ， Q i q i h a r R a i l w a y R o l l i n g S t o c k C o ． ， L t d ． ， Q i q i h a r l 6 1 0 0 2 ， H e i l o n g j i a n g C h i n a Ab s t r a c t T h e i n t e r a c t i n g p a r t p r i n c i p l e b e t we e n p r o fi l i n g d i e a n d l a r g e t o n n a g e o i l p r e s s h a s b e e n a n a l y z e d i n t e x t ． T h e b l a n k i n g s t r u c t u r e o f t h e p r e s s h a s b e e n o p t i mi z e d ． T h e q u a l i t y a n d fla t n e s s o f t h e p a rt s h a v e b e e n r o v e d． Ke y wo r d s B l a n k i n g h o l d e r f o r c e ； B l a n k i n g h o l d e r ； B l a n k i n g o i l c y l i n d e r ． 表 2上 横 梁 优 化 情 况 上横梁参数 最 大应力／ MP a 最大变形／ ram 质量／ t 优化前 1 6 5 ． 1 0 ． 3 5 6 6 0 ．7 2 3 6 优化后 1 6 8 ． 3 0 ． 3 7 0 2 0 ． 6 6 9 5 尺寸 优化是 以单 元尺 寸为设 计变 量 函数 ，在设 计人员对 新建模型 的有一 定了解 的基础 上 ， 通过改变 尺 寸来达 到一 定 的设计要 求 。其最 简单 的定义 为同 p C o ,DV ， ’ C j 式 中 ， P为 优 化 属性 ， DV， 为 设 计 变 量 ， C ， 为 线性 因 子 ， 为常量 。 尺 寸 优 化 算 法 类 型 有 自 适 应 响 应 面 法 A RS M 、 序 列 二 次规 划 法 S QP 、 模 式搜 索 法 ／ 可 行 方 向法 MF D 、 遗 传算 法 G A 和用 户 自定 义优 化 方 法 。运 用 Hy p e r Wo r k s软 件 Hy p e r S t u d y模 块 ， 选 用 自适 应 响应 面法 ARS M 对上 横 梁 的结 构 厚度 尺 寸 ／ 4 - 析 。 目标 函数 上 横梁 的体积 最小 化 ； 约束 函数 保 证 上 横 梁 的 强 度 与 刚度 在 优 化盈 余 的 安 全 范 围 内 。 经 过 1 2次优 化 迭 代结 束 ，优 化 结果 如 表 3所 示 。 由于实 际需要 ， 将 钢板厚 度取 整重新 计算 ， 上 横 梁 质量 为 2 ． 41 6 9 t ， 较之前 的 2 ． 6 7 2 t 下 降 了 1 3 ． 8 ％。 3结 束 语 1 运用 Hy p e r Wo r k s软件 对液 压缸 上横 梁 的强 度 、 刚度进行 校核 。在 此基础 上 ， 建 立 上横梁 的参 数 化 模 型优化 结构 ， 优化 上横梁 质量 ， 节 约材料成 本 。 2 利用 有 限元 方 法 ， 为 结构优 化设 计提 供 了有 效 手段 。 对上横 梁拓 扑优 化和 尺寸优 化 ， 结 合 了拓扑 优 化 和尺寸 优化 的特 点 ， 实现 轻量 化设计 。 3 以某型液 压机 上横梁 有 限元 分 析为例 ， 其 分 析 思路 和方 法 对 类 似 设 备 具 有 较 大 的工 程 参 考 价 值 表 3上 横 梁尺 寸 优 化 优化变量 名称 初值 下 限 上限 优化结果 目标 函数 体积／ mm 8 ． 2 4 E 0 7 7 ．9 2 E 0 7 最大应力／ MP a 1 6 8 ． 3 1 7 5 1 7 4 ． 3 6 5 约束 函数 最 大变形／ mm 0 ． 3 7 0 2 0 ． 4 5 0 ． 4 4 2 上盖板／ r a m 4 0 3 5 4 5 3 6 ． 0 2 3 盖板／ m m 4 5 4 0 5 0 4 0 ． 7 5 9 前后侧板／ m m 3 0 2 5 3 5 2 7 ． 2 O 1 左右侧板／ m m 2 5 2 0 3 0 2 2 ．5 5 6 底面板／ m m 2 5 2 0 3 0 2 2 ．3 8 9 设计变量 加 强板 1 ／ mm 3 O 2 5 3 5 2 9 ． 6 9 6 加强板 2 ／ m m 2 0 1 6 2 4 1 8 ． 8 9 5 加强板 3 ／ ram 3 0 2 5 3 5 1 9 ． 0 0 3 加强板 4 ／ ram 2 0 1 6 2 4 1 9 ．5 9 4 加强板 5 ／ ra m 2 0 1 6 2 4 1 8 ． 8 1 4 【 参考 文献 】 [ 1 ] 俞新陆． 液压机现代设计理论[ M 】 ．北京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 王京波， 等． 液压缸上横梁的结构优化『 J 1 ． 机械制造与研究， 2 0 0 9 ， 2 8 - 1 1 ． [ 3 】 陆爱国， 等． 1 0 0 0 0 k N热模锻压力机有限元分析[ J ] ． 锻压装备与制 造技术 ， 2 0 1 2 ， 4 7 6 2 8 3 0 ． [ 4 ] 刘鸿文． 材料力学『M ] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 俞新陆． 液压机的设计与应用[ M ] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 张胜兰， 郑冬黎， 等． 基于 H y p e r Wo r k s 的结构优化技术[ M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ] 王松 ， 严运兵 ， 等 ． 客车车架有限元分析及 尺寸优化[ J I ． 汽车科 技 ， 2 0 1 2 ， 4 3 5 3 9 ． [ 8 ] 詹俊勇 ， 等．双点压力机滑块有限元 分析 与优化叨． 锻压装备与制 造技术 ， 2 0 1 0 ， 4 5 6 4 2 4 4 ． Fi n i t e e l e me n t a na l y s i s a nd s t r uc t ur a l o pt i mi z a t i o n o f upp e r b e a m f o r h y dr a ul i c p r e s s C AO We n g a n g ， Z E NG J i n y u e