综合应用数字化设计技术实现液压缸缸体优化设计

　　0 引 言

　　液压缸是液压机中的重要部件, 对液压缸的设计往往采用经验公式的方法, 之后再用校核公式对其进行强度方面的校核^[1]。对液压缸体结构参数优化通常采用近似公式优化进行^[2,3],难以准确直观地反映结构的实际应力和变形状况。因此, 将液压缸模型用ANSYS 进行有限元分析, 得到结果后, 再利用iSIGHT 软件的优化算法与ANSYS 结合, 对缸体结构尺寸进行优化。这样就可以得到合理的设计尺寸。

　　1 液压缸优化模型

　　1.1 缸体结构

　　图1 为某液压机的主缸, 其主要设计参数可以见表1。

　　根据经验设计公式^[1], 参数间有以下关系。

　　T=( 1.5～3) S

　　H=( 1.5～2) S

　　_R4=0.2R1～0.4R1

　　R=( 0.15～0.25) S

　　1.2 设计变量

　　液压缸的工作压力p、液压机的公称压力P 以及缸体的长度( 由活塞的行程L 确定) 是给定参数, 内径R0 由液压缸的公称压力P 以及工作压力p 确定。待定的设计参数有, 缸底厚度T、缸体法兰厚度H、缸体中段厚度S、法兰半径R1。所以设计变量为T、H、S、R1、R、R4。

　　1.3 约束条件

　　优化算法采用序列二次规划法, 根据设计的装配尺寸、加工工艺的可能性及一般设计和使用经验, 确定各个设计变量的变化范围。

　　S_min≤S≤S_max

　　1.5S≤H≤2S

　　1.5S≤T≤2S

　　R1_min≤R1≤R1_max

　　0.15S≤R≤0.25S

　　R3=0.25R0

　　以上的约束条件均为显式表达。

　　应力的约束条件为:

　　液压缸中段最大应力SM 小于许用应力SG, 法兰过渡处的最大应力SZ 小于许用应力SG, 缸底过渡处的最大应力ST小于许用应力SG。建立不等式约束。

　　SM <SG

　　SZ <SG

　　ST <SG

　　1.4 目标函数

　　利用ANSYS 有限元软件进行静态分析, 在最大应力不超过给定许用应力条件下, 以缸体重量最轻为目标函数。

　　Minimize Mass=F( T, H, S, R1, R, R4) 。

　　2 利用ISIGHT 对液压缸优化算例

　　2.1 优化变量的设计

　　以1个5000 吨三缸的液压机使用的液压缸为例, 通过使用ISIGHT与ANSYS 结合进行优化设计。液压缸公称压力为20000KN, 内部液体压强为25MPa。利用ISIGHT 软件采用序列二次规划优化算法对该液压缸进行优化, 其原始设计尺寸如表2。

　　其中, 法兰外圈半径的设计尺寸由与上梁接触圈应力小于100MPa 设计, 还要满足安装的位置, 因此得到678.35 mm≤R1≤800mm。油缸的内径由工程压力20000KN得出, 为给定量。利用ANSYS 对原始模型进行静态分析可以知道, 最大应力处于缸体中段位置, 缸体圆角处并非最大应力集中位置, 所以在有限元模型建立过程中忽略圆角, 可以提高计算速度。设计变量中可以去掉这2 个参数。