基于CAE的塔机油缸耳环强度校核及优化.pdf

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1、精密制造与自动化2011年第1期基于CAE的塔机油缸耳环强度校核及优化张立平黄海涛汪中厚上海理工大学机械工程学院(200093)上海机床厂有限公司(200093)摘要耳环是塔机油缸的一个重要的零部件，由于耳环的受力情况复杂、工作环境恶劣及耳环与销轴的接触方程较强的非线性，试图通过材料力学来精密校核耳环的强度问题是非常困难的事情。基于CAE仿真技术，针对某厂生产的油缸机构，借助CAE软件Pro／MECHANICA建立油缸的仿真模型，分析并校核了油缸耳环的强度。针对耳环的薄弱环节利用PRO／E分析功

2、能对耳环进行优化，对耳环强度的校核以及优化方法为其他部件的优化提供了参考。关键字轴孔接触分析仿真液压油缸强度校核优化塔机油缸的上端连接爬升架，下端连接塔身，主要用于支撑塔顶的重量，一旦发生断裂，极有可能造成设备的损坏、从而导致中断塔机的正常工作、造成严重的经济损失。但是油缸的传统校核方法主要考虑油缸的压杆稳定问题，以及主要依据材料力学近似地评价油缸各零部件的强度问题。尤其是油缸的耳环部图2油缸耳环示意图件，受力情况比较复杂，工作环境比较恶劣，如果设计与使用不当，都会在工程中有断裂的情况发耳环圆角

3、的位置处的Vonmises应力和第一主应力生。因此，非常有必要对耳环进行强度校核。有所降低，耳环的安全因数有所提高。因此我们的针对某厂依照传统设计方法设计的塔机油优化方法是可行的。缸，在PRO／ENGNEER中建立如图1所示的油缸三维模型，耳环模型如图2所示。1油缸耳环强度的CAE分析1．1油缸CAE模型的建立1．1．1Pro／MECHANICA的特点Pro／MECHANICA为PRO／ENGNEER的子模块，它们具有单一的数据库，可以对数据共享，不存在因为数据格式的转换和数据丢失等问题影响精度

4、⋯。本文采用CAE分析软件Pro／MECHANICA耳对油缸进行分析。1．1．2CAE模型的建立图1油缸的三维装配图油缸的实际安装位置如图3所示。根据油缸的使用工况及设计参数，工作压力是耳环工况比较复杂，在设计中用材料力学来精20MPa。缸筒的内径为140ITIII1。在实际的工况中，确校核耳环的强度比较困难，因此利用CAE仿真油缸受到与轴线的夹角为2。的力的作用，根据压分析方法精确地求解带有间隙的轴孔接触问题，得力换算为31t。到耳环的各个应力分布。根据第一主应力云图，针根据油缸的实际工况，在

5、PRO／MECHANICA对耳环应力较大的部位进行优化。优化的结果表明，中施加如下的边界条件：在耳环与销轴及缸底与销张立平等基于CAE的塔机油缸耳环强度校核及优化由图4可知在力的作用位置处油缸的变形最大。经过CAE分析，耳环的Vonmises应力及第一主应力的计算结果见表2。表2工作压力作用下油缸耳环的安全因数圆角第一主强度屈服安全安全固定半径R应力极限Vonmises极限因数因数／mm／MPa／MPa／MPal2225902．66200M队2951．47图3油缸的受力简图轴之间添加接触，并且约

6、束销轴的所有自由度，可可知第一主应力为222MPa，Vonmises应力为以让油缸绕着销轴在允许的公差范围内6个自由度200MPa，耳环的第一主应力云图如图5所示。均浮动，边界条件的设置很好的模拟油缸的实际工况。油缸的材料为45钢，热处理工艺为正火加回火。材料的各个性能参数见表1。表1力学性能正火加回密度泊松杨氏模正火加回火的强火的屈服／Kg．(m)。比量／MPa度极限／MPa极限／MPa图5R=I时第一主应力分布云图和局部放大图78500-32060005702751．2．2解析结果分析耳环的

7、材料为45钢，为塑性材料，因此我们网格是有限元分析的基础“PRO／MECHANICA采主要关心耳环的第一主应力的分布。根据表2和图用P法划分网格。自适应P法网格划分技术，靠增加5可知，耳环的圆角的部分由于截面的突变及受力单元内插值函数的阶次来达到设定的收敛精度。较为复杂，第一主应力和Vonmises较大，为油缸的在计算的过程中，采用提高内插值函数的阶次和控薄弱环节。制网格的大小来保证计算结果的收敛性。1．2CAE仿真分析2耳环的优化1．2．1耳环工况的仿真根据图5所示可以看出，在油缸耳环圆角的位

8、利用CAE软件Pr0／MECHANICA对油缸进行置处第一主应力较大，因此针对耳环圆角进行优分析的油缸整体变形图如图4所示。化。根据机械工艺原理，如果圆角半径过小，则会有突变截面的产生，使应力过大，因此建立如下的优化模型：f／其中，角自q半径){I．1f不满足_E啶干涉的工伟易于加工，应力刁极5艮值根据上式，以耳环圆角位置处的应力最小为优图4油缸的整体变形图化目标，以不发生干涉为约束条件，以圆角半径为41精密制造与自动化2011年第1期参变量对油缸的模型进行优化。随着圆角半径逐渐的增大，耳环圆角