基于有限元的液压机结构优化设计.pdf

第 2期 总第 1 9 5期 2 0 1 6年 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUTOMATI ON No． 2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 ～ 6 4 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 5 2 0 3 基于有限元的液压机结构优化设计米 刘基 冈，徐 晶 ，张懿骅 扬州大 学 机械 工程学院 ，江苏 扬州 2 2 5 1 0 0 摘要 为 了解决液压机 强度 较差的 问题 ，利用有 限元 的结 构优 化设计方法进行 了液压机 改进设计。通过有 限 元静态 刚强度计 算，分析 了原机身设计 中的薄弱环 节。运 用优 化设计原理 ，构建优化 数学模 型，利用 wo r k b e n c h软件对 液压 机进 行 了结构优化 。根据优 化结 果设 计的液压机结构最 大应 力减 小 2 3 ，刚 强度 性能满足 设计要 求。 关键词 液压机 ；有限元分析 ；尺 寸优化 中图分类号 T P 3 9 1 ． 7 文献标 识码 A 0 引 言 液压机是一种通用的锻压机械设备， 可用于落料 、 冲孔和成形等工序 ， 广泛应用于汽车、 航空、 机械等行 业。开式液压机床身呈 C形 ， 工作 时悬臂受力 ， 变形 较大， 床身的刚强度直接影响工件压制质量_ 】 ] 。传统 的液压机设计过于依赖设计人员 的经验 ， 导致设计周 期长、 成本过高、 机身笨重 ] 。基于结构优化设计的 方法可 以保证在一定约束条件下 ， 通过改变设计变量， 获得最优的结构方案。 本文采用有限元法， 对某型号液压 机机身结构进 行静态特性分析 ， 进而从有限元分析结果出发 ， 进行机 身结构尺寸优化设计 ， 以确定合理 的设计方案 。 1机 身结构 分 析 本文所分析的 C型液压机为某 厂家所研 制的板 材矫平液压机 ， 公称压力 为 2 0 0 0 k N， 液压机 机身结 构示意图如图 1所示 。机身是 C型悬臂结构 ， 在工作 台和油 缸下 固定板 处所 受 的最 大 压 力 为 2 0 0 0 k N， 机 身底 板 与地 面通 过 地 脚 螺 栓 联 接 。因 为 C 型 液 压 机 是开口钢架结构， 工作时会产生垂直变形从而导致角 变形 ， 致使工作 台、 腹板和油缸下 固定板之 间发 生倾 斜 。这些变形将降低液压机矫平精度 ， 加剧油缸磨损 。 为保证所研制液压机的可靠性 ， 需对其结构进行分析 和校核 ， 为结构优化设计奠定基础 。 2 机身有限元分析 2 ． 1 建立机身有限元模 型 应用 Wo r k b e n c h软件创建机身参数化模型， 参数 化建模的关键是如何利用实物的特征参数来 自动控制 和生成实物三维实物模型 ， 而且特征参数的变更能 自 动反映到三维模型 中。液压机结构复杂并且细节变化 多， 因而需简化处 理模 型 ①机 身 由钢板整体 焊接而 成 ， 分析中将其视为连续体 ] ； ②机身部件及载荷在左 右方 向对称 ， 建立机身一半对称几何模型； ③简化机身 细微局部结构 ， 省略尺寸较小且不作为主要承力部分 的螺 栓孔 和筋 板_ 5 ] 。 机身 材料 为 Q3 4 5 B， 弹性 模 量 E一2 ． 1 31 0 MP a ， 泊松 比 一0 ． 2 7 。 1 一 立 板 ； 2 一 立 板 加 强 板 ； 3 一 腹 板 ； 4 一 工 作 台 ； 5 一油缸下固定板 ； 6 一油缸上 固定板 图 1液 压 机 机 身 结 构 图 2 ． 2 网 格 划 分 网格划分采用 四面体单元 ， 应力均匀区单元大小 为 5 0 mm， 应 力梯 度大 的 区域 细化 ， 如上 下喉 口、 横 梁_ 6 单元大小取 2 5 mm。网格模 型共有 9 3 9 1 8个节 点， 5 5 2 9 1个单元 ， 如图 2所示 。 2 ． 3施 加 约束 与载 荷 液压机接触地面的支脚在任何方 向都不能发生移 国家 自然科学 基金 资助项 目 5 1 2 0 5 3 4 4 ；江苏省高校 自然科学基金资助项 目 1 2 KJ B 4 6 O O 1 1 收稿 日期 2 0 1 5 ～ 0 5 0 4 ；修订 日期 2 0 1 6 0 2 1 0 作者简介 刘基 冈 1 9 9 0 一 ，男 ，江苏盐城人，在读 硕士研 究生 ，主要研究方向为机械设计制造技术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 6年第 2期 垂直方向最大变形优化前后没显著变化， 均在设计允许 范围之内。可见， 该液压机优化结构达到了设计要求 。 表 1 优化前 、 后 液压机刚强度计算 结果对 比 最大应力 上喉 口 下喉 口 机身重量 垂直方 向 参数 最大应力 最大应力 最大位移 MP a k g M P a M Pa mm 原模型 2 1 4 ． 5 3 5 l 4 7 ． 5 8 1 3 2 ． 3 5 6 3 4 8 ． 4 3 ． 8 2 7 8 改进模型 1 6 4 ． 2 7 1 4 1 ． 6 1 1 2 6 ． 2 2 6 2 3 8 ． 2 4 ． 0 4 8 2 减小 比率 ％ 2 3 4 ． 0 4 4 ． 6 3 1 ． 7 4 5 ． 7 4结 论 笔者结合有限元 法和结 构优化设计理论 ， 以提高 液压机结构强度为 目标 ， 对液压机结构进行 了尺寸优 化设计 。优化后液压 机结构强度得 到了明显的提高 ， 其中最大应力减小了 2 3 ， 喉 口处最大应力减小 比率 超过 4 ， 而且结构刚度满足设计要求， 达到了优化设计 的 目的。该方法也可用于其他工程结构的优化设计 。 参考文献 [ 1 ] 谢峰 ， 雷小宝 ， 沈维蕾 ， 等． 基于 ANS Y S分析与 正交实 验 法 的液压机机 身轻量化设计 [ J ] ． 系统仿 真学报 ， 2 0 0 8 ， 2 0 2 2 6 0 5 4 6 0 5 7 ． [ 2 ] 任翠锋． YH3 0 4 0 0液压机机身结构 的有 限元 分析与优 化 [ D] ． 合肥 合肥 工业 大学 ， 2 0 0 9 3 4 3 9 ． [ 3 ] 翁纪钊． 液压冲床主要结构设计优化及实验研究[ D ] ． 广 州 广东工业大学 ， 2 0 0 8 2 6 3 5 ． [ 4 ] 孙 组 芳． 开 式 液压 机 机 身 的有 限 元 分 析及 其 优 化 设 计 E D ] ． 南京 东南 大学 ， 2 0 0 4 2 6 3 1 ． [ 5 ] 葛炜 ， 左言言 ， 沈哲 ． 车身有 限元 简化 建模 与几何 清理研 究 [ J ] ． 拖 拉机与农用运输车 ， 2 0 0 9 ， 3 6 4 9 7 9 9 ． [ 6 ] 周平． 新型压机机身有限元分析与优化[ D ] ． 南京 南京理 工大学 ， 2 0 0 7 5 4 5 6 ． [ 7 ] 刘茜 ， 董正 身 ， 卞学 良． 基于 AN S YS的 C型液 压机 机 身 有限元分析[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 6 4 2 1 2 2 ． [ 8 ] 候 晓望 ， 童水光． 基 于有限元分 析的液压 机结构优 化[ J ] ． 重型机械 ， 2 0 0 5 4 4 6 - 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DYNA 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m