ANSYS 在復合材液壓機開發中的優化設計應用

文/汪義高，劉雪飛，凌家友，楊潔簫，程家龍·重慶江東機械有限責任公司

為降低產品成本，控制經驗設計風險，基于ANSYS Workbench 軟件在已有的大型液壓機經驗設計的基礎上,對經驗設計的液壓機模型進行有限元仿真分析?？偨Y了從實體造型到有限元分析的基本步驟，研究了模型簡化、接觸問題以及工況在整機有限元分析模型中的處理方法，對基于經驗設計好的液壓機模型進行有限元分析，再對不合理的設計部分進行優化設計，最后對液壓機進行了模態分析，對共振問題進行了研究。

在當今工業中，我國液壓機的結構設計主要還是沿用經驗設計和傳統的材料力學簡化計算相結合的方法。這種設計方法在實際中也是可行的，但仍有著一些明顯的弊端，主要表現為設計周期較長，而且在材料的使用上偏保守，使得設計出的產品比競爭對手的壓機重量更重，成本更高。傳統設計方法導致國內廠家難以同發達國家廠家在激烈的市場上進行競爭。如何在較短的試制時間內，以合理的結構和較小的重量，設計出符合強度、剛度等要求的壓力設備，抓住市場發展的機遇，是我國現代液壓機設備設計人員迫切需要解決的問題。

液壓機在機械性能上有強度、剛度、共振等要求。傳統方法無法對設計結果的合理性進行驗證，且無共振方面的考慮。而CAE 軟件提供了強大的分析功能，對模型進行有限元分析即可得到任何位置的應力情況，為優化結構布局提供可靠依據。

在不影響液壓機加工性能的基礎上，合理優化減輕機身重量，使液壓機輕量化，已成為大型框架式液壓機的重要發展方向。因此，有必要對液壓機機身進行靜力分析。

在液壓機設計中，非標專用設備所占的比重越來越大，例如重慶江東機械有限責任公司向市場提供的多款產品，其中非標專用壓機占80%以上。為快速響應客戶的各種需求，需要在設計中釆用CAE 技術。本文以江東機械自主研發的YJK71-SF3000 液壓機為例，基于ANSYS 軟件，介紹CAE 技術在液壓機優化設計中的應用。

前處理有限元模型建立

三維模型簡化

圖1 整機模型

圖2 立柱模型

圖3 上橫梁模型

圖4 滑塊模型

圖5 底座模型

為真實的反映各部件的工作狀態，采用機架體完整的幾何模型進行有限元分析。三維模型簡化中，去掉了對分析影響較小的起吊孔、螺釘孔、定位鍵槽、密封件、距離受載荷區較遠處的輔助部分，滑塊與底座之間的部件為模具簡化模型。簡化的整機及關鍵零部件模型如圖1 ～圖5 所示。

接觸屬性

常用的接觸有綁定(bonded)、無摩擦(frictionless)和摩擦(frictional)，后兩者可以模擬間隙，使用這兩種接觸需要更長的求解時間，常出現計算無法收斂的問題。由于預緊力較大，認為機身各零件(上橫梁、立柱和底座等)間接觸面沒有分離，對應接觸區域設置為綁定?；钊着c活塞桿之間接觸設置為無摩擦，安裝于滑塊上的復合導軌與立柱導軌板之間接觸設置為無摩擦。

該模型結構較復雜，各焊接鋼板厚度不一，將整體網格大小設置為35mm，選擇六面體主導網格劃分方法，對接觸面網格進行局部細化，將網格單元階次設置為二階。為了提高分析效率，取四分之一模型進行計算，網格模型共2228579個節點，1258159個單元，如圖6 所示。

設置產品的材料與屬性，在材料庫模塊中，自定義添加Q235-A 材料屬性，根據已知的材料試驗，設置密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa。液壓缸材料為45#鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

圖6 壓機網格劃分

邊界條件

底座安裝平面與地面相連接，故設置為固定約束；運動部件及運動副之間遵循實際工況施加約束。根據工況載荷分步添加載荷，第一分析步添加預緊力；第二分析步添加工作載荷。

結構強度分析

整機應力及變形

通過靜力學模塊分析后所得應力云圖與位移云圖結果如圖7、圖8 所示，整機最大應力為227.9MPa，最大變形2.7mm。

圖7 整機應力分布云圖

上橫梁應力及變形

上橫梁最大應力為217.66MPa，位于上表面與拉桿鎖緊螺母接觸區域；上橫梁下平面變形約為0.687mm，位于中心缸法蘭與上橫梁下表面的接觸區域。

滑塊應力及變形

滑塊最大應力為108.93MPa，位于活塞桿與滑塊上表面的接觸區域；滑塊下平面與模具接觸區域變形約為0.275mm。

底座應力及變形

底座最大應力為189.31MPa，位于安裝平面旁主筋板117°開口處；底座上平面變形約為0.392mm，位于模具下表面與底座接觸面的中心區域。

圖8 整機應變分布云圖

有限元分析結論

液壓機設計要求：上橫梁的剛度大于1/5000，滑塊與底座大于1/8000。根據基礎模型有限元分析參數表1 可知，上橫梁、滑塊和底座剛性均滿足要求，其中滑塊和底座剛性遠超出設計要求，對主要筋板進行減薄處理，使其滿足剛性要求并減輕重量。由于上橫梁與拉桿鎖緊螺母接觸區域應力較大，在相應區域布置加強筋。

優化后結構強度分析

優化后整機應力及變形

通過靜力學模塊分析后所得應力云圖與位移云圖結果如圖9、圖10 所示，整機最大應力為207.9 MPa，最大變形2.7mm。

表1 優化前有限元分析數據表

圖9 整機應力分布云圖

圖10 整機變形分布云圖

優化后上橫梁應力及變形

上橫梁最大應力為168.54MPa，位于上表面與拉桿鎖緊螺母接觸區域；上橫梁下平面變形約為0.696mm，位于中心缸法蘭與上橫梁下表面的接觸區域。

優化后滑塊應力及變形

滑塊最大應力為117.98MPa，位于活塞桿與滑塊上表面的接觸區域；滑塊下平面與模具接觸區域變形約為0.317mm。

優化后底座應力及變形

底座最大應力為207.67MPa，位于安裝平面旁主筋板120°開口處；底座上平面變形約為0.427mm，位于模具下表面與底座接觸面的中心區域。

優化前、后關鍵部件最大應力對比

在上橫梁拉桿孔區域添加筋板，局部應力降低了21%，其余參數無顯著變化(圖11)。通過減薄相關筋板，并適當降低滑塊高度，滑塊的剛度降低15%，重量降低13%，應力值無顯著變化。通過減薄相關筋板，底座的剛度降低9%，重量降低5%，局部應力增大10%，應力值在安全范圍內，如圖12所示。

圖11 關鍵部件最大應力(MPa)對比圖

圖12 優化前、后關鍵部件重量(t)對比圖

優化后模態分析

液壓機共振工況分析

液壓機振動包括受迫振動和自激振動兩種方式。對液壓機的液壓系統而言，液壓機的受迫振動來源于電動機、液壓泵和液壓馬達等的高速運動件的轉動不平衡力，液壓缸、壓力閥、換向閥及流量閥等的換向沖擊力及流量壓力的脈動。

液壓機的受迫振動中，維持振動的交變力與振動(包括共振)可無并存關系，即當設法使振動停止時，運動的交變力仍然存在。因此，液壓機的模態分析十分有必要。

模態分析原理

模態反映的是試件固有的振動特性，最能反映結構的自身特點。液壓機是一個有質量的無限自由度彈性系統，在對液壓機進行有限元模態分析時，首先要建立液壓機的有限元模型，然后將其離散，成為一個N 自由度的、有限個單元組成的系統，前文已建立相應模型與系統。

模態分析過程

借助ANSYS Workbench 平臺，可實現聯合仿真，直接調用前文已完成的前處理有限元模型，極大的增加了效率，如圖13 所示仿真項目關聯圖。

結束語

圖13 ANSYS Workbench 仿真平臺項目關聯圖

基于ANSYS Workbench，通過模擬實際工況，對公稱壓力為3000 噸的復合材液壓機進行有限元分析，確認了薄弱部位和剛性過剩區域，并對壓機進行優化，在確保液壓機設計剛性的前提下，使整機重量降低了5.2%。對優化后的結構進行了模態分析，結果表明液壓機重要部件之間不會發生固有頻率共振。該3000 噸復合材液壓機在客戶現場使用，且進行了批量的復合材料零件的生產，結果表明，液壓機剛性無問題，無共振現象發生，進一步證明了模擬仿真結果的有效性。

除夕，又稱大年夜、除夕夜、除夜、歲除等。是時值每年農歷臘月（十二月）的最后一個晚上。除，即去除的之意；夕，指夜晚。除夕也就是辭舊迎新、一元復始、萬象更新的節日。與清明節、中元節、重陽節三節是中國傳統的祭祖大節，也是流行于漢字文化圈諸國的傳統文化節日。