基于有限元的轴向柱塞变量泵壳体结构优化.pdf

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1、2015年8月机械设计与制造工程Aug．2015第44卷第8期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．44No．8DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．08．005基于有限元的轴向柱塞变量泵壳体结构优化王猛，侯增选，黄磊，杨修伟(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024)摘要：利用有限元软件ANSYSWorkbench对A4VG28型轴向柱塞变量泵壳体进行有限元分析，在保证壳体结构强度与刚度要求的前提下，以小型轻量化为目标对壳体进行优化设计。优化结果表明，壳体在满足结构性能要求的前提下质量有

2、所减小，可以有效地提高材料利用率并降低生产成本。关键词：轴向柱塞变量泵；壳体；ANSYSWorkbench；有限元分析；结构优化中图分类号：TH114；TD421文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)08—0021-05随着科技的发展和市场对产品要求的提高，根存在不足，本文首先利用三维软件SolidWorks建立据经验对产品进行设计的方法已经显得过于保守，轴向柱塞泵壳体的三维结构模型，如图1所示，然产品性能难以保证并且耗费了不必要的成本。现后将三维模型直接导入ANSYSWorkbench中，并代制造业所追求的目标是在保证产品强度和刚度保证两者之间的兼容性。等

3、要求的前提下，使产品尽量小型化和轻量化。轴向柱塞泵作为现代液压系统中的重要部件，对其进行小型轻量化设计不仅可以减少材料消耗和降低生产成本，更重要的是可以提高产品在市场中的竞争力。本文以德国Rexroth公司A4VG28型轴向柱塞变量泵为研究对象，利用有限元分析软件ANSYSWorkbench对其壳体进行有限元分析，并根据有限元分析的结果，以壳体壁厚作为输入参数，对轴向柱塞泵壳体进行结构优化设计，提出实现壳体小型图I轴向柱塞泵壳体三维模型轻量化的最优设计方案。1．1．2选择材料属性1轴向柱塞泵壳体有限元分析根据实际生产情况，本文选择QT500—7作为壳体是轴向柱塞泵的主要部件

4、之一，主要用于壳体的材料，其相关力学性能参数见表1。轴向柱塞泵其他零部件的安装和容纳。其中，泵轴表1QT500—7力学性能参数通过滚动轴承固定于壳体前端轴承孔处；斜盘通过月牙形轴瓦与壳体前端的轴承座接触，并与壳体顶部变量缸体中变量机构相连；壳体后端与后盖通过4个螺钉连接。综上所述可知，在轴向柱塞泵运行1．1．3施加边界条件过程中壳体必须满足一定的强度和刚度要求。轴向柱塞泵壳体作为泵的主体承载部件，载荷1．1轴向柱塞泵壳体有限元静强度分析分布较为复杂，为便于对其强度和刚度进行分析，1．1．1轴向柱塞泵壳体有限元建模本文仅取对壳体影响较大的载荷进行考虑与分析。鉴于ANSYSWo

5、rkbench软件的三维建模能力1)泵轴轴承对壳体的作用力。收稿日期：2015—06—15作者简介：王猛(199O一)，男，山东诸城人，大连理工大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。·2l·2015年第44卷机械设计与制造工程表6优化前后壳体的前6阶固有频率以图4所示的壳体横截面面积为衡量壳体体积变化的标准。以壳体外轮廓为边界，壳体原横截面积约为1．8e4mm。方案1中壳体横截面面积约为1．7e4mm，比原先减小了5．6％；方案2中壳体横截面面积约为1．6e4mm，比原先减小了11．1％。3)方案1中壳体的平均壁厚为7．5mm，方案2中壳体的平均壁厚为8．75mm。

6、在实际生产中，轴向柱塞泵壳体壁厚一般在8mm一12mm之间，因此方案2比方案1更符合要求。4)方案1中壳体内腔的直径为125mm，方案2中壳体内腔的直径为117．5mm，通过参考轴向图5输入参数对壳体等效应力的响应柱塞泵内部零件的尺寸数据，两种方案均满足要的壁厚要求；2)壳体内部空腔的要求；3)壳体前6求。阶模态中各阶振型对轴向柱塞泵运行的影响程度。5)经优化后，壳体的最大等效应力有所增加，以壳体有限元分析结果为参考，并结合实际工通过与表1所示的材料力学性能参数进行比较，壳况，从所有设计点中选出2个可行方案。通过对方体结构的最大等效应力值远远满足其要求。案1和方案2进行权衡

7、比较，从中选择最优方案。通过对2种可行方案的对比，可以看出：方案1和方案2的相关数据见表5和表6。1)尽管方案1可以更多地减少壳体的质量，表5壳体优化前后对比但是壳体的体积却要大于方案2。2)与方案1相比，方案2中壳体的壁厚达到了轴向柱塞泵壳体壁厚的一般要求，并且方案2中壳体的固有频率均高于方案1。综上所述，本文选择方案2作为壳体最优化设计方案。3结束语1)两种方案均使得壳体质量有所减小。本文本文利用有限元分析软件ANSYSWorkbench所研究的轴向柱塞泵的原壳体质量约为10．92kg，对轴向柱塞泵的壳体进行了