基于FEA的单体液压支柱液压缸的寿命优化设计.pdf

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1、2015年4月机械设计与制造工程Apr．2015第44卷第4期MachineDesignandManufacturingEngineeringV01．44No．4DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．04．004基于FEA的单体液压支柱液压缸的寿命优化设计姜涛，宋道柱，秦斯成，陆兴华(徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州221018)摘要：利用Pm／E对单体液压支柱液压缸进行有限元分析和寿命优化。以液压缸疲劳寿命最大和使用材料最少为目标函数，并对缸体强度、许用应力、许用壁厚、稳定性进行约束。利用LINGO软件进行优化求解，得到优化后尺寸

2、。结果表明，缸体能承受的最大裁荷值、剩余寿命均有所增加而破损量减小，达到了优化的目的。关键词：单体液压支柱；液压缸；寿命优化；有限元分析中图分类号：F407．44文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)04—0013—04单体液压支柱是一种支护装置，广泛用于矿井限元分析。等地下空间的安全支护。单体液压支柱体积小，支Pro／E提供了有限元分析模块(FEA)。FEA承力较大，长期工作在外载荷大的环境中，因此支是利用数学逼近的方法对物理系统进行模拟的一柱的使用寿命极为重要。机械的寿命是指在指定种分析方法。在Pro／E中建好的模型不需要转换的运行状况下，机械

3、可以保证安全运行的剩余时格式就可以直接进行有限元分析。单体支柱的液间⋯。在整个机构中，任一构件的损坏都将导致压缸可抽象成具有一定壁厚的空心圆杆，工作温度整体寿命的下降。对支柱而言，液压缸是承担外载为常温，一端固定，另一端受轴向载荷，内部受液压荷的重要构件之一，也是支柱运动的主要部分，其力作用，液压缸的材料为27SiMn，所有材料均产生寿命关系着液压支柱的寿命。疲劳破损。设定了温度、材料等参数后，在Pro／E优化理论是运筹学的相关理论J，通过建立中进行静态应力分析、稳定性分析和疲劳寿命分目标函数和一定的约束条件来寻找最佳的设计方析，结果如图1，2所示。案。目标函数为

4、设计的目标，通常是通过设计决策变量，用该决策变量来表示所有的设计方案和相应的约束条件。优化模型经常通过智能算法求解，其核心思想就是通过不断地替换来寻找最佳的设计值J。文献[5]利用MATLAB作为优化的设计软件，本文利用专业的优化软件LINGO进行大量计算，寻找到最优的性能参数值，包括缸体高度、底圆内径、壁厚、所用材料体积。优化结果对于提高单图1静态液压缸底部最大受力云图体液压支柱性能参数具有一定的实际意义。图1为液压缸缸底静态受力分析的最大受力云图。从图中可以看出，缸体表面已经发生损伤，1单体液压支柱有限元模型底部的损伤裂痕较缸体表面更严重，且载荷变化较本文所选

5、用的液压缸型号为DW35—300／为迅速，应力较高。图2为稳定性有限元分析云100X，高度为1838mm，质量为32kg，对其进行有图，液压缸一端发生损坏，在弯曲处附近疲劳损伤收稿日期：2015—03—16基金项目：江苏省前瞻性产学研联合创新资金资助项目(BY2013022)；江苏省大学生创新国家级项目(201411998017Z)；江苏省大型工程装备检测与控制重点实验室2012年开放课题(JSKLEDC201218)作者简介：姜涛(1994一)，男，江苏宿迁人，徐州工程学院本科生，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。·13·2015年第44卷机械设计与制造工程

6、式中：C，a，a，b为材料常数。对于不同的应力状态，疲劳寿命可表示为=(4)二：将式(2)、(4)带入式(1)，则得到随机载荷下结构的累积损伤量：D：圭，’：∑f(x)eAx(5)采用积分的思想，式(5)可表示为D=忍fx)e㈨dx(6)图2稳定性FEA受力云图假设每次作用在区域的载荷相等，则每一较大，弯曲角度较小，说明稳定性仍较低。液压缸次载荷作用下，结构的损伤量为满足失稳载荷因子大于1．0o的条件下，外部载荷D=f，()e-(a+bx)dx(7)范围为240—305MPa，且在204．7MPa时，失稳载荷因子最大，为1．03。因此结构的剩余寿命基于上面的有限元

7、分析结果，建立优化模型。=(8)优化的目标是寻找最优的材料用量和最大的使用式中：为结构的剩余寿命，a；d。为一年工作的天寿命，主要设计参数为缸体长度、底圆内径等。数；t为液压缸一次伸缩的平均时间，h。2寿命预测模型3优化模型的建立由于结构所受的外力由多个不同应力所构成，3．1决策变量的选择因此需要结合疲劳损伤模型进行分析。根据Miner决策变量是模型需要优化的对象，决策变量在累积损伤法则，结构累积损伤量为n优化模型中起着重要的作用。此处需要优化的对D=∑(1)象指标为液压缸的结构尺寸。现假设液压缸可看式中：n为不同应力作用在结构上的次数；为单作一个空心圆筒，内径为

8、d，壁厚为