第一章 绪论
1、本课题的来源、目的及意义
(1)课题的来源
本课题来源于教学科研,主要解决某公司在生产液压油缸的过程中遇到的技术难点,对液压缸进行仿真分析和优化设计。该公司主要的技术难点:
①仿真计算液压油缸在极限压力(25MPa)下材料的应力变化情况,并据此判断油缸材料能否可用其他经济性更好的材料替代;
②计算在各种工作压力(16~25MPa)下液压油缸的最大举升力;
③根据分析结果对液压油缸进行优化设计。
该课题就是围绕这几点来展开的。
(2)课题研究的目的
液压油缸在自卸车中的分布形式可分为以下两种:
① 直推式倾斜机构(液压举升缸直接作用于车厢底架上)
② 连杆式倾斜机构(液压举升缸通过连杆机构作用于车厢底架上能以较小的液压缸行程来实现车厢的倾翻)
图1-2 液压举升缸通过连杆机构作用于车厢底架上 |
自卸车液压系统主要有液压油缸、齿轮泵、转阀,经高、低压油管,这些通过连接来实现液压油缸举升卸料。液压油缸的受力随着自卸车实际工况的变化而变化,比如自卸车四个轮子都着地时油压油缸的受力和自卸车一个轮子悬空时液压油缸的受力,自卸车实际工况的不同会使液压油缸受到不同的压力和弯矩作用,从而会使液压油缸材料受到较大的变形,影响液压油缸的使用,也会使液压油缸发生卡住现象,会对液压系统照成一定的损坏。基于以上分析,本课题的主要目的是通过对液压缸受力的研究分析,做到优化配置,节能减耗,从而达到降低生产成本、降低能源消耗的目的。
(3)课题研究的意义
本课题主要研究的是对液压油缸的仿真分析和优化设计,液压油缸的受力能够影响自卸车的工作状态,提高自卸车的工作效率和液压油缸的使用寿命。本课题的研究能够解决许多液压油缸在实际中的应用问题,例如液压油缸能承受的极限压力,液压油缸能够产生的最大举升力等问题,所以本课题的研究对于液压油缸的实际使用具有重要的现实意义。
2、课题背景及国内外研究现状
液压油缸的规格、品种正日趋齐全,结构也在不断改进,来满足各种需求。液压油缸在工程机械、矿山机械上的用量很大,其次是金属切削机床、锻压机床。此外,在船舶、飞机、农业机械、冶金设备及其他自动化设备装置中也有大量应用。
专业化生产是当前液压油缸生产的特点之一。专业化生产不仅能提高生产效率、还能提高质量、缩短生产周期、降低成本,更重要的是能够保证性能指标的稳定。高压化是液压油缸发展的主要方向之一。目前液压油缸的最大工作压力已超过140Mpa,高压化是减小液压缸径向尺寸的有效方法。液压油缸未来的趋势会朝着高压高速、大功率、低噪声、高度集成化、轻量化方向发展。
我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时,也在大力研制、开发国产液压元件新产品,加强产品质量可靠性和新技术应用的研究,积极采用国际标准,合理调整产品结构,对一些性能差并且不符合国家标准的液压产品,采用逐步淘汰的措施。由此可见,随着科学技术的迅猛发展,液压油缸优化设计将获得进一步发展,在各种机械设备上的应用将更加广泛。我国现今发展的方向有:技术性能的优化设计,经济性能的优化设计和产品制造工艺性能优化设计。
国外液压油缸制造企业多以专业化生产为主,专注于某个行业,经验积淀丰厚,不同主机的液压油缸有不同的标准,结构及技术要求在验证后都固定化,改进要通过验证,产品可靠性高,寿命长能够满足主机产品的使用性能。正因为他们的专业化生产,国外对液压油缸的优化设计技术也比较先进,他们对于液压油缸的优化设计了解的更为透彻。相比较我国他们还是发展的挺快的,所以我国在这方面还需要多下点功夫。
近年来,国内外发表的不少论文中,研究了液压油缸的稳定性、强度和局部应力等问题,研究了液压油缸的运动特性和缓冲理论,以及液压油缸的寿命等问题,用有限元法计算液压油缸的强度、重量及成本为目标函数的优化设计也日益增多。但是,与机械传动零件相比较,液压油缸的结构和强度设计理论还处于较低级的阶段。因而,今后有必要进行大量的实验研究工作,进一步充实并完善液压油缸的设计理论和优化设计方案。
总的来说,液压油缸的发展前景非常好,目前对液压油缸的优化设计也处于还不是很完善的阶段,我们可以着重于向高压化和轻量化这两个方向发展,设计的手段还是主要以有限元分析为主,但也需开发出其他的分析方法来缩短其研发周期。
3、本课题研究的主要内容
自卸汽车液压系统主要由液压油缸、齿轮泵、转阀、高低压油管等组成,液压油缸主要承受载荷,包括外载荷以及液压油产生的内部载荷,故液压油缸是自卸车液压系统的重要组成部分,要对液压油缸进行有限元分析计算,仿真计算液压油缸在极限压力下材料的应力变化情况,验证液压油缸能否满足实际需要,计算在各种工作压力情况下液压油缸的最大举升力,并以分析结果为基础对液压油缸进行优化设计。
第二章 三维建模
1、三维建模软件Creo
(1)Creo功能模块简介
Creo软件是美国PTC公司最新推出的一套CAD/CAE/CAM软件,它构建于Pro/ENGINEER Wildfire版的成熟技术之上,整合了PTC公司的三款软件,即Pro/ENGINEER参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术,经过二十余年的发展,Creo软件已成为当前维建模的领头羊,广泛应用于机械、电子、工业造型、航空航天、家电等领域。
Creo集零件设计、装配、工程图、板金件设计、模具设计、NC加工、造型设计、逆向工程、运动模拟、有限元分析于一体,基本覆盖了产品设计加工的全流程。对应的功能模块有二位草图、三维实体、零件装配、工程图、机械仿真、数控加工、模具设计、结构分析等数十个。每个模块都有自己独立的功能,所创建的文件扩展名也不同。这里我们要用到的是零件装配图,首先先要将零件图都画出来,然后再进行装配。
(2)Creo软件的用户界面
Creo软件的用户界面是全中文的,如图2-1所示大多数是能直接看懂的,下面主要介绍一下功能区几个功能的含义。
文件:文件处理、打印存盘等。
模型:特征的创建以及编辑等命令。
分析:模型、曲面等的测量、报告等。
注释:视图、尺寸标注等。
渲染:模型的着色等。
工具:有关三维建模的相关工具。
视图:图层、视图方向以及显示等。
柔性建模:识别选择以及特征操作。
应用程序:相关的工程及模拟。
2-1 Creo软件的用户界面
(3)创建零件模型的一般过程
用Creo创建零件模型,其方法非常灵活,按大的分类有以下几种:
积木式的方法
这是大部分机械零件的实体三维模型的创建方法。这种方法是先创建一个反映零件主要形状的基础特征,然后在在这个基础特征上添加一些其他的特征,如伸出、切槽、倒角和圆角等。
由曲面生成零件的实体三维模型的方法
这种方法是先创建零件的曲面特征,然后把曲面转换成实体模型。
从装配中生成零件的实体三维模型的方法
这种方法是先创建装配体,然后在装配体中创建零件。
由于要建立液压油缸的三维模型是个对称的,所以可以采用草绘的形式,即先画出零件的平面图,然后选择一个中心轴旋转,最后在旋转后的实体上倒角和打孔等来满足图纸要求。
(4)Creo软件的特点
作为PTC闪电计划中的一员,Creo具备互操作性、易用、开放三大特点。在产品生命周期中,不同的用户对产品开发有着不同的需求。不同于其他解决方案,CREO旨在消除CAD行业中几十年迟迟未能解决的问题:解决机械 CAD 领域中未解决的重大问题,包括基本的易用性、互操作性和装配管理;采用全新的方法实现解决方案(建立在 PTC 的特有技术跟资源上)提供一组可伸缩、可互操作、开放且易于使用的机械设计应用程序;为设计过程中的每一名参与者适时提供合适的解决方案。
2、建立液压油缸三维模型
由于这次要分析的对象是一个四级液压油缸,所以可以选择creo软件来对其进行三维建模。Creo软件功能的介绍在上文也提到过,这里就不再做过多介绍。首先,要先绘制出液压油缸的零件图,然后把这些零件图装配在一起,最后才是一个完整的四级液压油缸三维模型。
各级零件的三维建模
此次要分析的液压油缸的零件有:外缸筒、一级缸筒、二级缸筒、三级缸筒、四级缸筒、活塞杆。根据提供的二维图纸我们可以采用草绘的形式来建立各级零件的三维模型。
打开creo软件后先新建一个零件图,然后点击草绘选项选择一个平面来进行绘制,由于几个零件都是轴对称的,所以只需画出上半部分的图即可,然后选择那个中心轴进行旋转就可以得到一个三维模型,再对这个三维模型进行修改或添加即可得到所需要的液压油缸零件的三维模型。因为最终的液压油缸三维模型是要导入到ANSYS中进行分析的,所以在建模的过程中选择的尺寸是最小的也就是液压油缸处于一个最危险的状况。
下面就是液压油缸零件三维模型的效果图:
图2-2是外缸筒的三维图,外缸筒主要起到的作用是与自卸车相连接。连接的主要部位就是最上端的那一部分,连接的形式是铰接。缸筒的壁厚是12mm,总长为1185mm,材料为27SiMn调制管。
图2-3是一级缸筒的三维图,后面缸筒的三维图也跟这个差不多,所以就不一一列举了。液压油缸的工作原理是:由于前一级缸筒的有效面积比后一级有效面积大,前一级缸筒所受到的推力比后一级缸筒受到的推力大,所以前一级先被推动,当前一级运动到行程终点时,后一级缸筒在液压的推动下运动。这也就是这几个缸筒在整个液压油缸所起到的作用。
图2-4是活塞杆,它是最后的执行构件,是自卸车举升货物的动力源,它能产生多大的举升力自卸车就能承载多重的东西。
2-2 外缸筒
2-3 一级缸筒
2-4 活塞杆
对零件进行装配
各级零件的三维模型建立好后,然后将它们装配成一个四级液压油缸。装配过程需要注意的是要使整个液压油缸处于最长的一个工况,也就是上面所提到的一个危险工况,所以在进行配合的时候需要先考虑好,在哪个地方卡住能使得液压油缸处于最长,经过查找资料和在creo软件中实际操作得出了液压油缸最长时的配合。如图2-5,此时的液压油缸就是处于最长的工况。在装配过程中还需要注意的是各个零件之间的连接要贴合在一起,否则在导入到ANSYS中很容易出现问题。由于液压油缸主要由缸筒和活塞部分组成,在ANSYS中主要分析的也是这两个部分,所以在建模过程中可以把一些对整体影响不大的部位简化或忽略。
2-5 液压油缸三维图