关于FEA单体液压支柱液压缸寿命优化设计.pdf

2015年 4月 机械设计与制造工程 Apr．2015 第 44卷 第4期 MachineDesignandManufacturingEngineering V01．44No．4 DOI：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。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—40 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