液壓機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

米樂(lè)

摘 要：液壓機(jī)的上橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)橫梁的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行靜態(tài)有限元計(jì)算，并且校核了橫梁的強(qiáng)度和剛度。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和優(yōu)化，降低機(jī)身的制造成本，得到了滿(mǎn)意的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：液壓機(jī)；結(jié)構(gòu)；分析；優(yōu)化；

一、引言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓機(jī)主要由液壓缸1，上橫梁2，下橫梁6，立柱4或者框架等零件組成，其中上下橫梁、立柱4或框架為主要受力構(gòu)件，它們的變形大小及其他特性將直接或間接影響到工件的加工品質(zhì)。因此必須要對(duì)液壓機(jī)的各構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核。傳統(tǒng)方法將橫梁簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，采用材料力學(xué)簡(jiǎn)化計(jì)算求得橫梁剛度和強(qiáng)度，但這種設(shè)計(jì)方法存在著設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不考慮梁的截面特性，使用材料偏保守導(dǎo)致材料的浪費(fèi)等弊端。而有限單元法（FEM）是一種對(duì)彈性力學(xué)問(wèn)題提供切實(shí)易行的近似解的重要方法，它的出現(xiàn)為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析提供了一種強(qiáng)有力的、精確的分析手段，在液壓機(jī)的整體以及主要零部件的設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為了必不可少的重要工具。

所討論的某型號(hào)三梁八柱式液壓機(jī)，其公稱(chēng)力為22MN，開(kāi)口行程1m。通過(guò)應(yīng)用通用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)該液壓機(jī)的上橫梁進(jìn)行參數(shù)化建模，在校核橫梁強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上找出應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，并且對(duì)橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到盡可能減輕橫梁質(zhì)量的目的。

二、上橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、機(jī)架結(jié)構(gòu)調(diào)整從上述靜力學(xué)分析中可以看出，梁的剛度足夠，但從強(qiáng)度上來(lái)看局部應(yīng)力較大，整體而言應(yīng)力比較小，還有很多可以?xún)?yōu)化的盈余范圍。其中最高應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭盤(pán)與橫梁接觸的環(huán)形部位，此處主要是因?yàn)榻佑|面積比較小，而3個(gè)液壓缸產(chǎn)生的反作用力都加載這3個(gè)面上，因此產(chǎn)生的應(yīng)力比較大。然而此處已經(jīng)布置了加強(qiáng)筋，如果增加加強(qiáng)筋的厚度將可能與液壓缸相干涉，因此為了解決應(yīng)力集中問(wèn)題，可以適當(dāng)?shù)脑龃蠓ㄌm盤(pán)與橫梁的接觸面積，選用大口徑的法蘭盤(pán)。通過(guò)計(jì)算得到選擇外徑為550mm的法蘭盤(pán)時(shí)其最高應(yīng)力已經(jīng)降到174MPa，而且最高應(yīng)力已經(jīng)從環(huán)形區(qū)域轉(zhuǎn)移到立柱與橫梁相連接的螺栓接觸面，為解決此處的應(yīng)力集中問(wèn)題，可以在此處加支撐板，以增加此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，筋板厚度10mm。同時(shí)在此基礎(chǔ)上可以對(duì)橫梁內(nèi)部其他各筋板的厚度進(jìn)行優(yōu)化。

2、優(yōu)化方法簡(jiǎn)述及優(yōu)化結(jié)果分析零階優(yōu)化算法（sub-problem）又稱(chēng)子問(wèn)題近似結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法。該方法僅使用狀態(tài)變量和目標(biāo)變量的逼近，而不使用它們的梯度。實(shí)質(zhì)是采用最小二乘法逼近，求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬合解空間，然后對(duì)該函數(shù)面求極值。程序用曲線(xiàn)擬合來(lái)建立目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，通過(guò)用幾個(gè)設(shè)計(jì)變量序列（可以用戶(hù)指定也可以程序隨機(jī)產(chǎn)生）計(jì)算目標(biāo)函數(shù)然后求得各數(shù)據(jù)點(diǎn)間最小平方實(shí)現(xiàn)的，即采用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化。序列二次規(guī)劃法綜合了最優(yōu)梯度法、擬牛頓法、Powell共扼梯度法以及BFGS變尺寸法的優(yōu)點(diǎn)，它被認(rèn)為是求解光滑的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題的最好算法。每次優(yōu)化循環(huán)生成一個(gè)新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)就完成一次更新。這是一種普適的優(yōu)化方法，不容易陷入局部極值點(diǎn)，可以有效地處理該問(wèn)題。

三、液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析

1、有限元模型的建立與載荷的施加；

上橫梁由Q 235鋼板焊接而成，做成箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部則對(duì)稱(chēng)布有筋板。其外部尺寸為6 000mm × 2 290mm ×850mm，總質(zhì)量23 200kg。中間的3個(gè)大孔固定著3個(gè)液壓缸，橫梁通過(guò)周邊的8根立柱與下橫梁相連接，梁柱之間通過(guò)螺栓聯(lián)接。由于上橫梁的機(jī)體結(jié)構(gòu)以及載荷分布都是對(duì)稱(chēng)于縱向和橫向的中間平面，因此可以取橫梁的1/4機(jī)體進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化如略去不影響計(jì)算的小孔、圓角等等。在計(jì)算時(shí)認(rèn)為焊接品質(zhì)是可靠的，即把整個(gè)機(jī)體都看作是連續(xù)體，采用187號(hào)單元進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為81 914，單元總數(shù)為41 492。Q 235有較好的韌性和塑性。橫梁的受力比較復(fù)雜，當(dāng)偏載工作時(shí)立柱要承受彎矩作用，這里只討論橫梁僅受中心載荷作用時(shí)的受力情況以使后文中討論的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行下去，而偏載情況則可以通過(guò)適當(dāng)放大公稱(chēng)力以抵消其影響。上橫梁主要受到4個(gè)力的作用，分別是：

（1）液壓缸對(duì)上橫梁的作用力。大小為7.35MN× 3，方向向上，作用在液壓缸固定的3個(gè)環(huán)形區(qū)域。

（2）液壓缸的重力。大小為74 800N× 3，作用在上表面的環(huán)形區(qū)域。

（3）立柱對(duì)上橫梁的拉力。大小為2.7MN × 8，方向向下，均布作用在橫梁與立柱連接處。

（4））橫梁自重。考慮到橫梁較重，因此將其自重作為載荷施加在機(jī)體上，大小為0.232MN，可看成是等份作用在3個(gè)環(huán)面上。邊界條件則根據(jù)對(duì)稱(chēng)性在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)表面施加對(duì)稱(chēng)約束，在橫梁的上表面螺栓固定處施加z方向的約束，而在下板與立柱接觸處施加機(jī)體的x，y方向約束，以限制其前后左右移動(dòng)。

2、靜力學(xué)分析結(jié)果；

從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，橫梁的主要形變發(fā)生在3個(gè)液壓缸固定的法蘭盤(pán)與橫梁相接觸的環(huán)形區(qū)域，整體的位移為0.683mm，隨著位置越來(lái)越遠(yuǎn)離液壓缸，變形也越來(lái)越小，這從整體變形上的灰色漸變可以看出來(lái)，最小值發(fā)生在橫梁的角點(diǎn)位置。通過(guò)分析橫梁的x，y，z方向的應(yīng)變?cè)苼?lái)看，其形變主要是集中在z方向，達(dá)到0.675mm，這個(gè)值幾乎等于整體的變形數(shù)值。而x，y方向的變形都是0.129mm，相對(duì)來(lái)說(shuō)變很小，這和實(shí)際估計(jì)也是一致的。因?yàn)闄M梁的最大變形為0.683mm，其值也是僅僅是固定液壓缸處的局部變形，可以認(rèn)為整個(gè)橫梁的最大撓度為0.683mm，跨度為6m，相對(duì)撓度為0.114mm/m，一般認(rèn)為梁的安全相對(duì)撓度為0.15mm/m，因此認(rèn)為該梁的剛度是滿(mǎn)足使用要求的。

強(qiáng)度校核按照第四強(qiáng)度理論，以VonMises應(yīng)力作為參考值。可以看出，橫梁絕大部分位置的應(yīng)力都小于108MPa，但在固定液壓缸的環(huán)形區(qū)域應(yīng)力比較大，最高值達(dá)到了194MPa，在立柱與橫梁的連接部位也出現(xiàn)了170MPa左右的集中應(yīng)力。根據(jù)Q 235鋼的屈服強(qiáng)度為235MPa，取安全系數(shù)為1.5，則梁的許用應(yīng)力為[σ]= 157MPa，顯然環(huán)形區(qū)域處的應(yīng)力值較大，應(yīng)力相對(duì)比較集中，在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)當(dāng)引起注意。

四、結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用有限元分析和優(yōu)化技術(shù)對(duì)某型號(hào)液壓機(jī)機(jī)身上橫梁的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核。在此基礎(chǔ)上，修改了結(jié)構(gòu)的不合理之處，并且對(duì)內(nèi)部主要筋板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的條件下使應(yīng)力應(yīng)變分布更加合理，亦降低了橫梁質(zhì)量，從而為企業(yè)節(jié)省了原材料，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：1.長(zhǎng)江大學(xué) 2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司塔里木物探處）