利用SolidWorks进行单作用叶片泵设计及其有限元分析

兰州交通大学毕业设计（论文）摘要液压泵是随着液压传动技术的产生而产生的，随着我国工业和科学技术的不断发展，机、电、液一体化在整个机械行业所占的比重越来越大，液压传动技术在诸多领域得到了越来越广泛的应用，因此，液压泵作为动力元件成为液压传动元件中不可缺少的一部分，起到非常重要的作用，同时越来越受人们的关注。单作用叶片泵作为液压泵的一种，在液压传动系统中有较为广泛的应用。基于单作用叶片泵的应用范围和优缺点，本文主要对单作用叶片泵做了从结构设计到部分结构性能分析的工作。其主要过程是通过现有工况确定单作用叶片泵主要的零件尺寸，然后通过 SolidWorks 软件对单作用叶片泵进行三维实体建模和虚拟装配。再对装配体中叶片的运动进行运动学分析和装配体进行动力学分析，最后对转子的静态应力进行有限元分析。整篇论文对于单作用叶片泵的设计具有参考和实用意义，同时也对单作用叶片泵的优化具有一定的指导作用。关键字：单作用叶片泵，有限元，优化设计 兰州交通大学毕业设计（论文）IAbstractHydraulic pump is produced with hydraulic transmission technology, With the continuous development of industry and science and technology in our country, machine, andelectric, iquid integration in throughout machinery industry by accounted for of share increasingly big.Hydraulic drive technology get has increasingly widely of application in many area.So hydraulic pump as power components became hydraulic drive components in the not missing of part, up to very important of role, while increasingly by people of concern.Single-acting vane pump as a hydraulic pump.There are used in hydraulic transmission system more and more.Based on the scope of application of the single-acting vane pump and the advantages and disadvantages.This article focuses on single-acting vane pump part made from structural design to structural analysis. Its main processes are determined by existing conditions of single-acting vane pump parts dimensio. Through SolidWorks software for single-acting vane pump for three-dimension solid modeling, and virtual Assembly.Assembly blade motion in kinematics analysis and Assembly dynamics analysis, static finite element analysis of the stress of the last rotor. Papers for the design of single-acting vane pump with references and practical significance, as well as optimization of single-acting vane pump capable of guiding.Keywords: single-acting vane pump; finite; optimal design兰州交通大学毕业设计（论文）II目录摘要 .IAbstract .II目录 .III1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.1.1 CAD 技术的发展 .11.1.2 SolidWorks 软件简介 .11.1.3 单作用叶片泵简介 .31.2 课题研究的目的与意义 .41.3 课题研究的内容 .52 单作用叶片泵结构的设计及尺寸参数的初定 .62.1 单作用叶片泵结构的设计 .62.1.1 单作用叶片泵的计算中用到的主要技术参数 .62.1.2 确定单作用叶片泵的工况 .62.1.3 被设计的单作用叶片泵的结构分析 .72.1.4 确定单作用叶片泵的结构 .72.1.5 确定单作用叶片泵的参数 .72.2 单作用叶片泵的零件尺寸的初定 .82.2.1 配油装置尺寸的确定 .82.2.2 轴尺寸的初步确定 .92.2.3 轴承的选取 .102.2.4 轴的受力分析及校核 .102.2.5 轴承寿命的校核 .122.2.6 压力调节端零件尺寸的确定 .133 单作用叶片泵零件的三维实体建模 .153.1 箱体类零件建模 .153.2 调流量端零件的建模 .183.3 定子环定位端零件的建模 .193.4 配油零件的建模 .214 单作用叶片泵的虚拟装配 .234.1 配油装置的装配 .234.2 调压装置零件之间的配合 .244.3 箱体配合零件的装配 .254.4 总装配 .265 单作用叶片泵运动学及动力学分析 .295.1 对于叶片顶端的运动学分析 .295.2 转子动力学分析 .316 有限元分析 .346.1 转子的静态应力有限元分析 .346.2 叶片瞬间静态应变的有限元分析 .42论文总结 .50兰州交通大学毕业设计（论文）III致谢 .51参考文献 .52附录 .53兰州交通大学毕业设计（论文）01 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 CAD 技术的发展制造的全球化、信息化和需求的个性化，都需要企业能在最短的时间内推出用户满意的产品，并且能够开速占领市场。为了适应这种瞬息万变的市场，设计方必须要缩短设计周期，提高产品质量，必须要有先进的实际技术。计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称 CAD。20 世纪 50 年代美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60 年代初期出现了CAD 的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70 年代，完整的 CAD 系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了 CAD 技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD 技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD 技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为 CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在 CAD 中的应用，极大地提高了 CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入 CAD，出现了智能 CAD 技术，使 CAD 系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。SolidWorks 就是在此历史条件下发展成的一款基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，SolidWorks 自 1995 年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率。SolidWorks 作为三维设计软件具有全面的零件及装配建模功能，利用该软件还可以快速的生成工程图，SolidWorks 软件还包含零件建模、装配设计、工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件 Photo Works 高级有限元分析软件 Cosmos,结构运动学分析软件 Motionworks，产品数据管理软件 SmarTeam，以及数控加工软件无缝集成，具有强大的辅助设计功能。1.1.2 SolidWorks 软件简介（1）三维实体建模的形成兰州交通大学毕业设计（论文）1SolidWorks 可以建立全相关的三维实体模型，在设计过程中，实体之间可以存在或不存在约束关系，同时，可以利用自动的或用户自定义的约束关系来体现设计意图。实体建模就是在计算机中利用一些基本元素来构造机械零件的完整几何模型，它包含了完整描述模型的边和表面所必须的所有线框和表面几何信息。除了几何信息外，它还包括了把这些几何体关联到一起的拓扑信息。将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸村委可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。特征造型就是依次性成各种特征并将其组成所需零件的方法。在进行零件或装配体，SoildWorks 软件使用智能化的，易于理解的几何体（如凸台、切除、孔筋、圆角、倒角、拔模等）建立特征，特征建立后可以直接应用于零件中。用于创建的尺寸与关系可以被记录并存于设计模型中。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变，尺寸标注就不再是“注释”，而是驱动用的“参数”了，这不仅可以使模具体现设计人员的设计意图，而且还能够快速容易的修改模型。（2）虚拟装配的形成全约束是指将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。SolidWorks 支持约束，如平行、垂直、水平、竖直、同轴心和重合这样的几何关系。此外，还可以使用方程式来建立参数之间的数学关系。通过使用约束关系和方程式，设计者可以保证设计过程中实现和维持诸如“通空”或“等半径”之类的设计意图。SolidWorks 模型与它的工程图及参考他的装配体的全相关的。对模型的修改会自动反应到与之相关的工程图和装配体中，同样，对工程图和装配体的修改也会反映在当中。（3）SolidWorks 运动学及动力学分析在 SolidWorks 中进行运动学或动力学仿真，使用的是 Motion（2007 及以下版本称 Cosmosmotion）模块，属于 SolidWorks 里面的设计验证工具， SoildWorks Motion 使用现有的 SolidWorks 装配体信息来构建运动模拟算例 。还可以将载荷无缝传入 Simulation 已进行应力分析，可以直接显示零部件在某个时间点或整个模拟周期内的应力和位移。在分析单作用叶片泵的时候，会用到 COSMOSFlo Works 高端计算流体力学程序是进行流体分析和传热分析。在单作用用叶片泵的动力分析时用到的是 SolidWorks 自带的 COSMOSFlo Works，用来给高端计算流体力学程序中提供的强大功能来重新定义流体分析和传热分析。（4）SolidWoks 的有限元分析兰州交通大学毕业设计（论文）2对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题具有某些非线性特征，很少能得到解析解。目前这类问题的的解决途径是利用有限元法。借助计算机来满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元分析发迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且使用高效的数值分析法。主要分析功能：a)系统及部件级分析以 FEA 为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。b)多领域的全面分析任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图 5 展示了在统一界面下产品的多领域分析。c)面向设计者的多场耦合热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。d)特殊行业及领域的需求面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的 CAE 模块。例如面对压力容器，需要符合 ASME 标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。e)高级分析需求面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。SolidWorks Simulation 节省了搜索最佳设计所需要的时间和精力，可以最大限度的缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，大大缩短了产品上市时间，加大利润空间。1.1.3 单作用叶片泵简介（1）单作用叶片泵工作原理及特点单作用叶片泵也是由转子、定子、 叶片和配油盘等零件组成。与双作用叶片泵明显不同之处是，定子的内表面是圆形的， 转子与定子之间有一偏心量 e，配油盘只开兰州交通大学毕业设计（论文）3一个吸油窗口和一个压油窗口。单作用叶片泵的转子回转时，由于离心力的作用，使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作区间，当转子按图示的方向回转时，叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，从吸油口吸油，这就是吸油腔。叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作空间逐渐减小，将油液从压油口压出，这就是压油腔。叶片泵转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，称单作用叶片泵。(2) 单作用叶片泵的特点优点：结构工艺简单，可以实现各种形式的变量，流量大、压力大、压力稳定、噪音小。缺点：作用在转子上的液压力不平衡，从而使轴和轴承上承受很大的负载，是轴承磨损大，泵的寿命较短。所以单作用叶片泵也称之为非卸荷式叶片泵，一般在中低压场合使用。(3) 未来对于单作用叶片的优化a ) 存在困油现象，通过有限元分析软件对配有盘结构优化，消除困油现象。b) 通过对叶片槽倾角的有限元分析，保证叶片更容易从叶片槽滑出，提高泵的效率。c) 转子的径向液压力不平衡，通过对定子转子的有限元分析，减小径向不平衡力提高泵的工作压力和排量。d) 单作用叶片泵的高压化。e) 轴向间隙大，容积效率低。f) 液压泵与原动机合一。g) 液压油纯度对单作用叶片泵性能的影响较大。 1.2 课题研究的目的与意义油泵作为机电产品中的关键部件，它的性能和寿命在很大程度上决定着整个液压系统的工作能力，因此对油泵的合理设计和正确使用显得格外重要。其结构设计的目的就要使其具有承受更高热负荷和机械负荷的能力，以达到所需的可靠性要求，从而提高机电产品的效率。在 SolidWorks 的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令，通过应用这些特征造型技术可以很方便地设计出需要的三维实体,然后对实体特征进行运动学和动力学的分析，达到改善单作用叶片泵性能的目的。机构的运动分析，就是根据给定的原动件的运动规律，求出机构中其他构件的运兰州交通大学毕业设计（论文）4动规律，根据各构件的位置、速度、加速度等运动参数。其目的在于：通过对机构的位移或轨迹分析，确定各构件在运动过程中所占据的空间大小，判断各构件之间会不会发生干涉，考察其从动件及其上某些点能否实现预定的位置或轨迹要求。基于构件的速度分析可以了解从动件的速度变化规律是否满足工作要求，其次，由于功率是速度和力的乘积，所以在功率一直的条件下，通过速度分析可以了解结构的受力情况。此外，机构的速度分析还是加速度分析的必要前提。由于机构加速度分析，可以确定各构件及其上某些点的加速度变化规律，这是计算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。在机构运动过程中，其各个构件都受到力的作用，构建运动的过程也是构件传力过程和做功过程。作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状的重要依据，所以不论是设计新的机械，还是为了合理的使用现有的机械，都必须对现有的机构的受力情况进行分析。研究机构动力分析的目的有二：确定运动副中的反力， 利用 SolidWorks 设计流程图。SolidWorks Simulation 是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统。它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热力分析和优化分析、凭借着强大的功能支持，使用户可以凭借计算机快速解决大型问题。1.3 课题研究的内容本文利用机械设计中的理论原理和设计思路，包括材料的选取，尺寸的确定，尺寸的校核，零件的润滑，同时也结合了 SolidWorks 三维建模技术和有限元分析技术的基本理论和方法, 利用 SolidWorks 三维建模软件和自带的 SolidWorks Simulation 有限元分析软件，进行单作用叶片泵的整个设计和分析过程。SolidWorks 作为专用的机械设计软件，在本文的单作用叶片泵的设计和分析过程中，起到了极其重要的作用本课题主要研究的内容是通过了解单作用叶片泵的工作原理及结构特点，选取适当的单作用叶片