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液压纠偏机构的有限元分析及结构优化

发布于:2018-04-30 20:36
有限元分析

       某碳素厂大型台车(跨度约20m)在行走时易发生偏移,为此设计了一种液压纠偏机构,该机构安装在台车两侧,主要由导向轮、安装支架、推力油缸等组成,在台车行走时推力油缸将导向轮推出顶在台车旁边的导轨上,台车因受反向推力而可避免向前行走时偏移轨道。由于该机构中的油缸推力较大(约500kN),对整个装置的强度有着较高的要求。因此,在设计初期对液压纠偏机构进行有限元分析并对其结构进行优化,以获得合理的设计参数,具有重要的工程应用价值。
       近年来,针对工程实际中需解决的结构强度问题,很多学者采用有限元方法进行分析。王春华等分别采用UG,ANSYS等App对研究对象进行有限元分析,求得分析结果,为工程设计提供依据;而对机械结构优化问题的研究,也从传统方法转向了借助有限元App进行分析,主要是借助ANSYSApp的优化设计模块对分析对象进行优化并寻求结构改进。根据液压纠偏机构的初步设计参数,建立三维模型如图所示。以初步设计的液压纠偏机构为研究对象,借助ANSYSApp的APDL参数化语言,建立液压纠偏机构的参数化有限元模型,分析该机构的静强度;建立液压纠偏机构的优化模型,采用零阶优化方法进行求解,得到最优设计参数,并以此为依据重新设计制作液压纠偏机构并应用于工程实践。
       对液压纠偏机构进行适当简化,并在ANSYS中建立简化后的三维模型,其材料弹性模量E=2.06xe11Pa,密度p=7.8xe3kg/m3,泊松比0.3,采用SOLID45三维实体单元对该模型划分有限元网格,并施加边界条件和计算载荷,如图所示,共计122245个单元,31560个节点。计算工况为:该机构顶端施加固定约束,侧面与推力油缸连接部分施加500kN的正压力。在ANSYS中进行强度分析,得到计算工况下液压纠偏机构的综合位移云图和等效应力云图,分别如图所示。分析表明,该机构的最大变形量为0.853mm,位于机构底部的底板处;最大等效应力为123MPa,位于H型钢与安装支架连接处,其刚度与强度均满足要求。但该机构总重量达到1006kg,各部件质量较大,需考虑进一步优化,以达到轻量化的目的。
       选取液压纠偏机构的部分结构参数为设计变量,设计变量的初始值及取值范围见表。为保证优化后液压纠偏机构仍满足刚度与强度要求,取该机构的最大综合位移和最大等效应力为状态变量,如式中:umax,vmax为优化过程中每次迭代机构的最大综合位移、最大等效应力。为初始设计时机构的最大综合位移、最大等效应力。为实现液压纠偏机构的轻量化,取机构总体积为优化目标,目标函数如式:Vum劝为优化过程中每次迭代机构的总体积。因此,液压纠偏机构结构优化的数学模型如式:根据结构优化的数学模型,建立液压纠偏机构的优化设计模型,编写APDL命令流循环求解程序,采用零阶优化方法对该结构进行优化分析。求解程序迭代至第巧步时收敛,目标函数和状态变量的迭代曲线分别如图所示。优化后此纠偏机构的最优设计参数如表所列。优化后,液压纠偏机构的重量为834kg,较优化前减轻了17.1%,最大综合位移和最大等效应力依然满足设计要求,可见优化效果良好。根据结构优化圆整后的结果,修改液压纠偏机构的结构设计参数,并进行制作,制作完成后的液压纠偏机构如图所示,目前使用效果良好。
       为防止台车在行走过程中偏离轨道,设计了液压纠偏机构;在ANSYSApp中建立了基于APDL的液压纠偏机构参数化有限元模型,分析结果表明,初始设计参数下机构的静强度满足设计要求;为实现液压纠偏机构的轻量化,建立了液压纠偏系统的优化模型,并采用零阶优化方法进行求解,结果表明,在结构强度满足设计要求的情况下,优化后机构的重量减轻了17.1%;根据优化求解得到的最优设计参数,重新设计并制作了液压纠偏机构,并付诸使用,使用情况良好。


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