ANSYS 在復(fù)合材液壓機開發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

文/汪義高，劉雪飛，凌家友，楊潔簫，程家龍·重慶江東機械有限責任公司

為降低產(chǎn)品成本，控制經(jīng)驗設(shè)計風險，基于ANSYS Workbench 軟件在已有的大型液壓機經(jīng)驗設(shè)計的基礎(chǔ)上,對經(jīng)驗設(shè)計的液壓機模型進行有限元仿真分析。總結(jié)了從實體造型到有限元分析的基本步驟，研究了模型簡化、接觸問題以及工況在整機有限元分析模型中的處理方法，對基于經(jīng)驗設(shè)計好的液壓機模型進行有限元分析，再對不合理的設(shè)計部分進行優(yōu)化設(shè)計，最后對液壓機進行了模態(tài)分析，對共振問題進行了研究。

在當今工業(yè)中，我國液壓機的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要還是沿用經(jīng)驗設(shè)計和傳統(tǒng)的材料力學(xué)簡化計算相結(jié)合的方法。這種設(shè)計方法在實際中也是可行的，但仍有著一些明顯的弊端，主要表現(xiàn)為設(shè)計周期較長，而且在材料的使用上偏保守，使得設(shè)計出的產(chǎn)品比競爭對手的壓機重量更重，成本更高。傳統(tǒng)設(shè)計方法導(dǎo)致國內(nèi)廠家難以同發(fā)達國家廠家在激烈的市場上進行競爭。如何在較短的試制時間內(nèi)，以合理的結(jié)構(gòu)和較小的重量，設(shè)計出符合強度、剛度等要求的壓力設(shè)備，抓住市場發(fā)展的機遇，是我國現(xiàn)代液壓機設(shè)備設(shè)計人員迫切需要解決的問題。

液壓機在機械性能上有強度、剛度、共振等要求。傳統(tǒng)方法無法對設(shè)計結(jié)果的合理性進行驗證，且無共振方面的考慮。而CAE 軟件提供了強大的分析功能，對模型進行有限元分析即可得到任何位置的應(yīng)力情況，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局提供可靠依據(jù)。

在不影響液壓機加工性能的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化減輕機身重量，使液壓機輕量化，已成為大型框架式液壓機的重要發(fā)展方向。因此，有必要對液壓機機身進行靜力分析。

在液壓機設(shè)計中，非標專用設(shè)備所占的比重越來越大，例如重慶江東機械有限責任公司向市場提供的多款產(chǎn)品，其中非標專用壓機占80%以上。為快速響應(yīng)客戶的各種需求，需要在設(shè)計中釆用CAE 技術(shù)。本文以江東機械自主研發(fā)的YJK71-SF3000 液壓機為例，基于ANSYS 軟件，介紹CAE 技術(shù)在液壓機優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。

前處理有限元模型建立

三維模型簡化

圖1 整機模型

圖2 立柱模型

圖3 上橫梁模型

圖4 滑塊模型

圖5 底座模型

為真實的反映各部件的工作狀態(tài)，采用機架體完整的幾何模型進行有限元分析。三維模型簡化中，去掉了對分析影響較小的起吊孔、螺釘孔、定位鍵槽、密封件、距離受載荷區(qū)較遠處的輔助部分，滑塊與底座之間的部件為模具簡化模型。簡化的整機及關(guān)鍵零部件模型如圖1 ～圖5 所示。

接觸屬性

常用的接觸有綁定(bonded)、無摩擦(frictionless)和摩擦(frictional)，后兩者可以模擬間隙，使用這兩種接觸需要更長的求解時間，常出現(xiàn)計算無法收斂的問題。由于預(yù)緊力較大，認為機身各零件(上橫梁、立柱和底座等)間接觸面沒有分離，對應(yīng)接觸區(qū)域設(shè)置為綁定。活塞缸與活塞桿之間接觸設(shè)置為無摩擦，安裝于滑塊上的復(fù)合導(dǎo)軌與立柱導(dǎo)軌板之間接觸設(shè)置為無摩擦。

該模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各焊接鋼板厚度不一，將整體網(wǎng)格大小設(shè)置為35mm，選擇六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法，對接觸面網(wǎng)格進行局部細化，將網(wǎng)格單元階次設(shè)置為二階。為了提高分析效率，取四分之一模型進行計算，網(wǎng)格模型共2228579個節(jié)點，1258159個單元，如圖6 所示。

設(shè)置產(chǎn)品的材料與屬性，在材料庫模塊中，自定義添加Q235-A 材料屬性，根據(jù)已知的材料試驗，設(shè)置密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa。液壓缸材料為45#鋼，密度為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

圖6 壓機網(wǎng)格劃分

邊界條件

底座安裝平面與地面相連接，故設(shè)置為固定約束；運動部件及運動副之間遵循實際工況施加約束。根據(jù)工況載荷分步添加載荷，第一分析步添加預(yù)緊力；第二分析步添加工作載荷。

結(jié)構(gòu)強度分析

整機應(yīng)力及變形

通過靜力學(xué)模塊分析后所得應(yīng)力云圖與位移云圖結(jié)果如圖7、圖8 所示，整機最大應(yīng)力為227.9MPa，最大變形2.7mm。

圖7 整機應(yīng)力分布云圖

上橫梁應(yīng)力及變形

上橫梁最大應(yīng)力為217.66MPa，位于上表面與拉桿鎖緊螺母接觸區(qū)域；上橫梁下平面變形約為0.687mm，位于中心缸法蘭與上橫梁下表面的接觸區(qū)域。

滑塊應(yīng)力及變形

滑塊最大應(yīng)力為108.93MPa，位于活塞桿與滑塊上表面的接觸區(qū)域；滑塊下平面與模具接觸區(qū)域變形約為0.275mm。

底座應(yīng)力及變形

底座最大應(yīng)力為189.31MPa，位于安裝平面旁主筋板117°開口處；底座上平面變形約為0.392mm，位于模具下表面與底座接觸面的中心區(qū)域。

圖8 整機應(yīng)變分布云圖

有限元分析結(jié)論

液壓機設(shè)計要求：上橫梁的剛度大于1/5000，滑塊與底座大于1/8000。根據(jù)基礎(chǔ)模型有限元分析參數(shù)表1 可知，上橫梁、滑塊和底座剛性均滿足要求，其中滑塊和底座剛性遠超出設(shè)計要求，對主要筋板進行減薄處理，使其滿足剛性要求并減輕重量。由于上橫梁與拉桿鎖緊螺母接觸區(qū)域應(yīng)力較大，在相應(yīng)區(qū)域布置加強筋。

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強度分析

優(yōu)化后整機應(yīng)力及變形

通過靜力學(xué)模塊分析后所得應(yīng)力云圖與位移云圖結(jié)果如圖9、圖10 所示，整機最大應(yīng)力為207.9 MPa，最大變形2.7mm。

表1 優(yōu)化前有限元分析數(shù)據(jù)表

圖9 整機應(yīng)力分布云圖

圖10 整機變形分布云圖

優(yōu)化后上橫梁應(yīng)力及變形

上橫梁最大應(yīng)力為168.54MPa，位于上表面與拉桿鎖緊螺母接觸區(qū)域；上橫梁下平面變形約為0.696mm，位于中心缸法蘭與上橫梁下表面的接觸區(qū)域。

優(yōu)化后滑塊應(yīng)力及變形

滑塊最大應(yīng)力為117.98MPa，位于活塞桿與滑塊上表面的接觸區(qū)域；滑塊下平面與模具接觸區(qū)域變形約為0.317mm。

優(yōu)化后底座應(yīng)力及變形

底座最大應(yīng)力為207.67MPa，位于安裝平面旁主筋板120°開口處；底座上平面變形約為0.427mm，位于模具下表面與底座接觸面的中心區(qū)域。

優(yōu)化前、后關(guān)鍵部件最大應(yīng)力對比

在上橫梁拉桿孔區(qū)域添加筋板，局部應(yīng)力降低了21%，其余參數(shù)無顯著變化(圖11)。通過減薄相關(guān)筋板，并適當降低滑塊高度，滑塊的剛度降低15%，重量降低13%，應(yīng)力值無顯著變化。通過減薄相關(guān)筋板，底座的剛度降低9%，重量降低5%，局部應(yīng)力增大10%，應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)，如圖12所示。

圖11 關(guān)鍵部件最大應(yīng)力(MPa)對比圖

圖12 優(yōu)化前、后關(guān)鍵部件重量(t)對比圖

優(yōu)化后模態(tài)分析

液壓機共振工況分析

液壓機振動包括受迫振動和自激振動兩種方式。對液壓機的液壓系統(tǒng)而言，液壓機的受迫振動來源于電動機、液壓泵和液壓馬達等的高速運動件的轉(zhuǎn)動不平衡力，液壓缸、壓力閥、換向閥及流量閥等的換向沖擊力及流量壓力的脈動。

液壓機的受迫振動中，維持振動的交變力與振動(包括共振)可無并存關(guān)系，即當設(shè)法使振動停止時，運動的交變力仍然存在。因此，液壓機的模態(tài)分析十分有必要。

模態(tài)分析原理

模態(tài)反映的是試件固有的振動特性，最能反映結(jié)構(gòu)的自身特點。液壓機是一個有質(zhì)量的無限自由度彈性系統(tǒng)，在對液壓機進行有限元模態(tài)分析時，首先要建立液壓機的有限元模型，然后將其離散，成為一個N 自由度的、有限個單元組成的系統(tǒng)，前文已建立相應(yīng)模型與系統(tǒng)。

模態(tài)分析過程

借助ANSYS Workbench 平臺，可實現(xiàn)聯(lián)合仿真，直接調(diào)用前文已完成的前處理有限元模型，極大的增加了效率，如圖13 所示仿真項目關(guān)聯(lián)圖。

結(jié)束語

圖13 ANSYS Workbench 仿真平臺項目關(guān)聯(lián)圖

基于ANSYS Workbench，通過模擬實際工況，對公稱壓力為3000 噸的復(fù)合材液壓機進行有限元分析，確認了薄弱部位和剛性過剩區(qū)域，并對壓機進行優(yōu)化，在確保液壓機設(shè)計剛性的前提下，使整機重量降低了5.2%。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，結(jié)果表明液壓機重要部件之間不會發(fā)生固有頻率共振。該3000 噸復(fù)合材液壓機在客戶現(xiàn)場使用，且進行了批量的復(fù)合材料零件的生產(chǎn)，結(jié)果表明，液壓機剛性無問題，無共振現(xiàn)象發(fā)生，進一步證明了模擬仿真結(jié)果的有效性。

除夕，又稱大年夜、除夕夜、除夜、歲除等。是時值每年農(nóng)歷臘月（十二月）的最后一個晚上。除，即去除的之意；夕，指夜晚。除夕也就是辭舊迎新、一元復(fù)始、萬象更新的節(jié)日。與清明節(jié)、中元節(jié)、重陽節(jié)三節(jié)是中國傳統(tǒng)的祭祖大節(jié)，也是流行于漢字文化圈諸國的傳統(tǒng)文化節(jié)日。