液压马达测试平台有限元分析与优化设计.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUUCS J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 2 0 液压马达测试平台有限元分析 与优化设计 李玉昆， 孟旭兵 ， 张立杰 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇 岛 0 6 6 0 0 4 摘要以液压马达测试平台为主要研究对象 ，设计一种适用于多种型号马达的安装结构，利用 A N S Y S Wo r k b e n c h建立 结构的有限元模型，对模型进行静力学分析和模态分析．得到螺栓预紧力与转矩载荷作用下的结构静力学性能 、固有频率 及振型。通过中心复合实验设计和响应曲面分析 ，总结出支架厚度、肋板厚度、螺栓预紧力和转矩等参数对结构强度 、刚 度以及固有频率的影响规律，找出合理的设计参数完成结构优化设计。 关键词液压马达；安装结构；静力学性能 ；模态分析 ；优化设计 中图分 类号 T H1 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 卜0 7 8 5 Fi n i t e El e me nt Ana l y s i s a n d Opt i mi z a t i o n De s i g n f o r Te s t Pl a t f o r m o f Hy dr a u l i c M o t o r L I Yu k u n ，ME NG Xu b i n g，Z HANG L i i e He b e i P r o v i n c i a l Ke y L a b o r a t o r y o f He a v y Ma c h i n e ry F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h e t e s t p l a t f o r m o f h y d r a u l i c m o t o r w a s s t u d i e d a s t h e m a i n s u b j e c t ，a n d a k i n d o f mo u n t i n g s t r u c t u r e a p p l i c a b l e t o v a r i o u s t y p e s o f m o t o r w a s d e s i g n e d ． B y u s i n g t h e s o f t w a r e A N S Y S Wo r k b e n c h ， t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l F E Mo f s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d．By s t a t i c s a n d mo da l a n a l y s i s o f t h e mo de l ，t he s t r uc t u r a l s t a t i c s b e ha vi o r ，t h e i n he r e nt f r e qu e n c y a n d t h e mo d e o f v i br a t i o n u n d e r b o l t p r e t i g h t e n i n g f o r c e a n d t o r q u e l o a d w e r e o b t a i n e d ． T h r o u g h t h e c e n t r a l c o mp o s i t e d e s i g n e x p e ri me n t a n d r e s p o n s e s u r f a c e a n a l y s i s ，t h e i n fl u e n c e r u l e s o f p a r a me t e r s s u c h a s t h e t h i c k n e s s e s o f s u p p o r t a n d r i b b o a r d，b o l t p r e t i g h t e n i n g f o r c e a n d t o r q u e o n t h e s t ruc t u r a l s t r e n g t h，s t i f f n e s s a n d t h e i n h e r e n t f r e q u e n c y a r e s u mma ri z e d，a n d t h e r e a s o n a b l e d e s i g n p a r a me t e r s a r e f o u n d t o c o mp l e t e t h e s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n d e s i g n ． Ke ywor dsHy d r a u l i c mo t o r ；Mo u nt i n g s t ruc t ur e；St a t i c me c ha ni c a l b e h a v i o r ；Mo d e l a na l y s i s ；Opt i mi z e de s i g n 液压马达作 为重要的液压执行元件 ．在工业生产 中应用广泛 ，国内外针对液压马达开展大量研究 ，包 括马达变量机构和接触 应力研究 [ 1 ] ，马达 柱塞 的磨 损问题研究 等 ．并根据 需要设 计 了液压 马达性 能 测试实验平 台。目前关于液压马达性能测试平 台的研 究主要 集 中在 液 压 系 统 功 率 回收 与测 控 系 统 的 设 计 _ 5 ] ．而针 对 马达 安 装 结 构 的研 究 相 对 较 少 ] ， 特别是对具备广泛适用性 的马达安装结构 的设计 、有 限元分析与参数优化有待进一步研究 。 液压马达安装结构作 为液压 马达性 能测试 系统 的 重要组成部分 ．应具备适用 多种 型号 马达安装需求 的 能力 ，结构尺寸合理 ，且实验过程 中保证 良好 的结构 性能 ，因此结构设计过程 中 ，需要根据 工况条件进行 有限元分析实验。作者根据液压马达性能测试平台系 统要求 ．设计 了一种具备 广泛适用性 的液压 马达安装 结构 ，基 于 A N S Y S Wo r k b e n c h软件 建立 该 结构 的有 限元模 型 。使用参 数化方 法 。分析各 参数对整体 结构性能的影响 ，进行结 构静 力学 分析 和模 态分 析 ， 并采用 中心复合实验设计方法和 响应 曲面分析 ，对结 构尺 寸参数进行 了优化设计 。 1 结构模型建立与网格划分 根据液 压马达 测试系 统对安 装结 构的性 能要 求 ， 安装结构包括支架 、肋板 、适配板 和螺栓 ，螺栓分 为 内螺栓和外螺栓 ，适配板 根据马达尺寸设计 ，通过外 螺栓与支架连接 ，支架底 板与地基连接 ，该结 构可在 改换 适配板的情况下满 足多种 型号 马达 的安 装需 求。 结构 的有限元模型如 图 1 所示 ，其中支架和适 配板材 料为 Q 2 3 5 结 构钢 ，螺栓材料 为 6 5 Mn ，为精确模拟马 达质量对结构性能的影响，使用 自定义方法为马达定 义材料属性 ，材料 密度为 6 5 0 k s ／ I n 。约束 支架底 板 处 的所有 自由度 ；马达转动时 的输 出转矩 ，通过在模 型轴端施 加扭 矩来 模 拟 螺栓 预 紧力 沿螺 栓 轴 向施 加 为系统添加标准重力加速度 ，取加速度方 向与工 况环境一致 ；螺栓 与支架 、螺栓与马达 、支架与适 配 板等接触位 置设置接触类 型为摩擦接触 ，摩擦 因数设 为 0 ． 1 5 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 - 0 9 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 5 4 3 8 作者简介李玉昆 1 9 7 8 一 ，男，硕士研究生，工程师，研究方向为机电一体化。E - m a i l l y k y s u ． e d u ． c n 。 8 2 机床与液压 第 4 3卷 表 3 优化前后结果对 比 4结 论 1 提 出 了一 种适 用于 多种 型号 马达 安装 需求 的安装结构 ，并 建立了结构的有限元 分析模 型 。对 模 型进行静力学分析和模态分析，得出结构最大等效应 力 、最大变形量以及结构固有频率与振型，其中结构 变形量属于小变形，结构最大等效应力接近材料屈服 极 限 ，2阶振动为扭转振动 。 2 基于中心复合实验设计方法和响应曲面分 析，对液压马达安装结构进行优化设计，分析结果表 明，增加支架厚度和肋板厚度 ，同时控制螺栓预紧力 和转矩值 ，可增强结构静力学性能 ，并提高二阶扭转 振动频率 ；通过设计多 目标驱动方法 ，得到符合要求 的设计点 ，在控制结构总质量的前提下 ，提高 了结构 性能 ，完成结构参数优化。 参考文献 [ 1 ]张宇琛， 赵继云， 丁海港． 补油式液压马达阀泵并联分时 变结构控制调速系统[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 1 1 4 3 5 1 5 4 ． [ 2 ]高殿荣， 张浩 ， 王志强． 低速大扭矩水压马达定子曲线的 研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 3 1 5 ． [ 3 ]N I L S S O N D a n i e l ， P R A K A S H B r a h a m．I n v e s t i g a t i o n I n t o t h e S e i z u r e o f H y d r a u l i c Mo t o r s [ J ] ． T r i b o l o g y l n t e ma t i o n a l ， 2 0 1 0 9 2 - 9 9 ． [ 4 ]L E WI S R ． F r i c t i o n i n a H y d r a u l i c Mo t o r P i s t o n ／ c a m R o l l e r C o n t a c t L i n e d w i t h P T F E I mp r e g n a t e d C l o t h[ J ] ． We a r ， 2 0 0 9 8 8 8 -8 9 2 ． [ 5 ]张培红 ． L a b V I E W 在液压 马达测 试系统中的应用 [ J ] ． 机 械研究与应用。 2 0 1 2 3 1 7 9 1 8 1 ． [ 6 ]王宣银 ， 戴捷， 皮阳军． 功率回收型液压马达性能测试系 统[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 l 5 3 6 3 8 ． [ 7 ]董铸荣， 刘树道． 叶片式低速大扭矩液压马达试验台的 设计与安装[ J ] ． 机电工程技术， 2 0 0 0 Z 1 2 7 2 9 ． [ 8 ]王汉章， 连伟． 浅谈工程机械闭式液压系统的安装与调 试[ J ] ． 黑龙江交通科技， 2 0 1 1 8 2 1 8 - 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