ANSYS Workbench的液压油缸多目标优化设计

　　随着经济的发展和科学技术的突飞猛进,市场对产品提出越来越严格的要求.依靠经验设计的产品其结构及尺寸参数相对保守,耗材过多,成本过高,性能难以达到最佳.由经验设计向采用CAD/CAE等现代设计方法是产品设计的发展趋势.在保证产品强度、刚度、变形等条件下通过优化设计使产品小型化、轻量化是现代制造产业追求的目标.液压油缸作为车辆,船舶的重要动力装置设备之一,其小型化、轻量化不仅节省了材料,减少了生产成本,而且也降低了运输成本,提高了产品的竟争力.因此液压油缸的优化有着重要的现实意义.本文以某种型号的液压缸为研究对象,运用Ansys Workbench有限分析工具及其优化模块,对缸壁厚度、活塞行程与应力、应变、质量等关系进行探讨,提出了其小型化、轻量化的最优解。

　　1液压油缸系统建模、网格划分

　　液压油缸系统的零件比较多,由于细部的零件挡环,阀座等部件对于整体的影响不大,所以建模时将其忽略.简化后模型主要由缸筒部分和活塞部分组成.由于整个系统的对称结构,建模时只须建出其对称的一半模型即可.系统在活塞杆完全伸出时工况最为恶劣,所以以活塞杆此时的液压油缸为研究对象.在Pro/E中建模(当前缸筒壁厚25.5 mm,缸筒的内径115 mm,行程1 096 mm),简化后的模型如图1所示.通过ANSYS Workbench与Pro/E的接口将其导入.采用物理结构自动网格划分功能,控制单元尺寸为0.01 m,划分的网格如图1所示,共含有节点130 867个,单元73 224个.

　　整个系统有三处接触:活塞与缸筒内壁的接触,将其定义为无摩擦接触;活塞与缸筒底壁部分的接触,将其定义为不分离接触;活塞杆与缸筒部分的接触,将其定义为无摩擦接触.

　　对于液压油缸系统的负载主要有三个,一端铰的固定负载,无杆腔的压力载荷,一端铰接的外负载.无杆腔工作压力为31.5 GPa,折算到外负载的为1 200 kN.由于选取了工作台结构的1/2进行分析,故还要施加对称约束.加载,得到系统的应力、径向应变云图(图2).由图可以看出,缸筒部分应力相对集中,主要处于100~200 MPa,而且内壁部分的应力高于外壁部分应力,但是相对于45钢的屈服极限360 MPa,还有很大的优化空间.径向应变也主要集中在缸筒部分.因此缸筒部分是研究的重点.

　　2 理论计算及影响液压油缸重量因素分析

　　影响液压缸重量的因素主要有缸筒的壁厚、缸的长度(活塞行程)和缸筒所用的材料.同时液压油缸为高压容器,其缸筒厚度、活塞的行程和材料决定了其能够承受压力.因此在压力一定的情况下,缸筒的轻量化、小型化即对壁厚和行程的优化或者是选用其他的材料.按钢制压力容器标准得如下应力、应变计算[1].缸筒应力