转椅液压杆的有限元分析及优化设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 本  科  生  毕  业  设  计（论文）  （       届）  系  题     目：                               学     号：                               姓     名：                               专业班级：                               指导教师：               职称 ：           职称 ：           年      月      日  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 本科生毕业设计（论文） 诚信承诺书  我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了引用注释，如出现抄袭及侵犯他人知识产权的情况，后果由本人承担。  承诺人（签名）：         年     月     日  需要购买对应 纸  咨询 14951605 I 摘要 ： 转椅是一种坐着的部分可以转动的椅子 ， 通常由：头枕 、 背 、 椅坐 、 扶手 、 支撑杆（ 液压杆 ） 、 转轴 、 五爪 、 爪轮子组成。 转椅升降 最关键的部件就是 升降装置中有一个 液压杆 ， 液压杆以 液体为工作介质 ， 可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的弹性元件 。  本次设计首先，调查了 转椅液压杆的工作原理 ；接着， 根据现有转椅液压杆参数要求设计处理液压杆的初步结构尺寸 ；其次， 采用 维设计软件构建了三维模型并进行了虚拟装配 ；然后， 采用 件 对初步设计的液压杆进行有限元分析并优化设计结果； 最后， 采用件绘制了优化后的转椅液压杆装配图及主要零件图 。  通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、机械制图等； 并 掌握了 件，对今后的工作与生活具有极大意义。  关键词： 转椅 ， 液压杆 ， 有限元分析 ， 优化 设计  需要购买对应 纸  咨询 14951605 he is of be  is a to as a of is to of to a to of to of to of is of of 要购买对应 纸  咨询 14951605 录  1 绪论  . 1 椅介绍  . 1 椅液压杆介绍  . 1 椅液压杆工作原理  . 1 椅液压杆常见故障  . 2 限元分析简介  . 2 2 液压杆的初步设计  . 3 压杆参数选定  . 3 压杆初步设计  . 3 力分 析  . 3 作压力的选定  . 3 塞及活塞杆设计  . 3 底和缸盖的设计  . 5 压杆缸筒的设计  . 6 压杆结构设计  . 6 3 基于 三维设计  . 8 件概述  . 8 压杆三维模型的建立  . 8 压杆导向筒  . 8 压杆内、外缸筒  . 9 压杆活塞  . 9 压杆缸盖、开关顶杆  . 9 压杆虚拟装配  . 10 4 基于 有限元分析及优化设计  . 12 件概述  . 12 压杆基于 有限元分析  . 12 于 静力分析  . 12 于 屈曲分析  . 15 于 模态分析  . 17 压杆优化设计  . 18 总  结  . 19 参考文献  . 20 致  谢  . 21 需要购买对应 纸  咨询 14951605 1 1 绪论  椅 介绍  转椅 是一种坐着的部分可以转动的椅子。 转椅一般又分为半转椅和全转椅两种。半转椅就是能够正面左右各 90 度的旋转。全转椅是指能够 360 度旋转的椅子。  转椅 通常由：头枕，背，椅坐，扶手， 支撑杆 （ 液压杆 ）， 转轴 ，五爪，爪轮子组成。  图 1椅  椅液压杆介绍  椅 液压杆工作原理  转椅之所以能升降，是因为升降装置中有一个气压棒，气压棒是一种以气体和液体为工作介质的，可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的弹性元件，其基本原理是内部充有高压氮气，由于在活塞内部设 有通孔，活塞两端气体压力相等，而活塞两侧的截面积不同，一端接有活塞杆而另一端没有，在气体压力作用下，产生向截面积小的一侧的压力，即气压棒的弹力，人坐上去给升降轴压力，升降轴就平缓地下降，速度均匀，可以降到最低点。不给升降轴外力，升降轴升回到最高点。  该种 液压杆 借助释放装置，可以在行程中的任意位置停止，并且停止以后有很大的锁紧力（可以达到 10000N 以上）。  图 1椅液压杆  需要购买对应 纸  咨询 14951605 2 椅 液压杆 常见故障  调查市场 转椅 ，发现 液压杆 常见故障主要有以下几种形式：  （ 1）泄漏，导致转椅升降失效；  （ 2）活塞杆断裂 ，导致转椅支撑断裂而无法使用 ；  （ 3）缸体爆裂 ，导致转椅支撑损坏而无法使用，甚至会危及人身安全 。  因此解决 转椅液压杆 的这些故障尤为重要。而在 上述故障中，泄漏是由于密封圈失效导致；而活塞杆断裂和缸体爆裂均是液压杆 零件强度不足导致，因此设计 出 合理的 液压杆零件尺寸尤为重要。  限元分析简介  有限元分析（ 用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未 知量的真实系统。  有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。  有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用， 例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法 。  常用 的有限元 软件 有以下几种：  （ 1） 国外软件  大型通用有限元商业软件：如 以分析多学科的问题，例如：机械、电 磁、热力学等；电机有限元分析软件 。还有三维结构设计方面的 都是比较强大的。  （ 2） 国内软件  国产有限元软件：  。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 3 2 液压杆的 初步设计  压杆参数选定  调研市场现有转椅，本次设计我们选定常用的转椅液压杆进行设计，其参数要求如下：  （ 1）行程： 80 2） 安装距离 ： 200（  （ 3）可承受压力： 2500N 压杆初步设计  力分析  式中，  液压杆 轴线方向上的外作用力    （ N）   液压杆 轴线方向上的重力      （ N）  运动部件的惯性力     （ N）  R： 液压杆 的工作负载      （ N）  液压杆 参数：  外作用力为 液压杆 上部所有件重量此处取约： 000  惯性力： m 1252/)060/60(250  因 液压杆 载荷较大，位置精度要求较高，故顶升速度不宜过大，最大顶升速度应控制在 60mm/ 故总负载力为：  125  作压力的选定  由以上得到工作负载 R，再根据表  R 在 0 到 5000N 之间，所以选择系统压力为 1 表 压杆 工作压力参考表  表 压杆 公称压力（    0 16 20 25  活塞 及 活塞 杆 设计  （ 1） 液压杆 内径及活赛杆直径计算  负载（ N）  50000 工作压力（ N）  10d 时，要进行稳定性验算：   式中，  液压杆 稳定临界力  P： 液压杆 最大推力  稳定性安性系数，  =2活塞杆计算柔  度   ：安装形式系数，取 0.7 l: 活塞杆长度  A：活塞杆的横截面积， 24 0    所以， 21 为柔度系数，  102 ，因此只需校核强度。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 5 则按压缩强度计算：  M P  3 . 0 50/(2 1 2 5/ 62  所以取 6 满足强度要求  活塞杆及加工要求  活塞杆常用材料为 35、 45 号钢。  活塞杆的工作部分公差等级可以取  ，表面粗糙度不大于  ，工作 表面的直线度误差在 500 活塞杆在粗加工后调质，硬度为  ，必要时可以进行高频淬火，厚度 度为  。  （ 4） 缸筒 壁厚的确定  一般，低压系统用的 液压杆 都是薄壁缸，缸壁可用下式计算：  )2/( DP p  式中， 缸壁厚度       试验压力  当额定压力 6 时， %150 p  当额定压力 6 时， %125 p  D 液压杆 内径   ,   o n 安全系数，一般取 n=5 注：如果计算出的 液压杆 壁厚较薄时，要按结构需要适当加厚。  由 6 ，所以用 6 ，  M P p  5 0  由上述已算出 D=50101 2 05/6 0 0/  p . 0 0 50)101202/(2/( 66  为了增加安全系数，适当加厚 液压杆 壁厚度为  。  底和缸盖的设计  （ 1）缸底厚度的确定  对于 液压杆 底有油孔的：   )(222  式中  h 缸底的厚度（  2D 缸底止口内径  （  P 缸内最大工作压力 )10( 6  需要购买对应 纸  咨询 14951605 6 材料许用应力 )10( 6           0d 缸底开口的直径（  所以 ：  0220( )10220(3 236 ，取 （ 2）缸盖厚度  缸盖厚度的设计与缸底的厚度一样： h=10接方式：把缸底与缸盖焊接在缸体上，这样的方法比较简单方便。  压杆 缸筒的设计  （ 1）缸筒的尺寸确定  设计 液压杆 的长度一般由工作行程长度确定，但还要注意制造工艺性和经 济性。  L 是 液压杆 长度，    D。：是缸体外径。  由 2125020  由上面可以知 液压杆 的长度过 0+D/2 式中， H：最小导向长度（ m）   需要购买对应 纸  咨询 14951605 7 L:液压杆 最大工作行程（ m）  D： 液压杆 内径（ m）  所以   H 0+=m) 取 H=30 2）活塞与缸体的密封方式  活塞和活塞杆密封均采用 O 形密封圈，其具体标准采用  压气动用 O 形密封圈。  这类密封为挤压密封，结构简单，安装方便，空间小，使用范围广，适用所选系统的工作压力，活塞与缸体的密封  需要购买对应 纸  咨询 14951605 8 3 基于 三维 设计  件概述  参数化技术的先驱，参数化是其最突出特点。是现今主流的 件之一，特别是在国内汽车行业、工程机械行业和产品设计领域占据不可替代位置。本论文运用件对机械手各零件进行建模， 然后进行装配和运动仿真。通过 建模清楚、形象、直观地表达机械手各部分的特点 15。  件的主要特点是 : （ 1） 全参数化  （ 2） 基于特征的实体建模  （ 3） 相关性  虚拟样机技术，也称为动态机械系统仿真技术，是国际计算机辅助工程技术在 20 世纪 80 年代随着计算机技术和迅猛的发展而发展。所谓虚拟样机技术是建立在第一个物理样机之前，利用计算机技术建立产品的计算机模型基础上，通过在真实的工作环境中进行仿真分析的可视化仿真运动学和系统动力学的实体，并多次修改后的设计，最后得到的优化 设计。  压杆三维 模型的建立  模的一般过程如下 ：  （ 1） 建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准 :如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时 ， 都要利用基准特征作为参照。  （ 2） 建立基础实体特征 :拉伸、旋转、扫描、混合等。  （ 3） 建立工程特征 :孔、倒角、肋、拔模等。  （ 4） 特征的修改 :特征阵列、特征复制等编辑操作。  压杆 导向筒  图 3压杆导向筒  需要购买对应 纸  咨询 14951605 9 压杆 内、外缸筒  图 3压杆 内、 外缸筒  压杆 活塞  图 3 压杆活塞  压杆 缸盖、开关顶杆  需要购买对应 纸  咨询 14951605 10 图 3压杆缸盖、开关顶杆  压杆 虚拟装配  虚拟装配技术是专为中的关键一环，它被定义为利用电脑工具虚拟制造中心，产品并不一定是物理模型的实现，通过分析，预测模型，可视化的数据表示与组件相关联工程决策的。虚拟装配是计算机零部件预组装的产品，使结果的产品装配工艺，装配分析和评价。虚拟装配是多项技术，包括可视化，仿真，决策理论，组装和制造过程，装配生产设备开发技术的组合。利用虚拟装配技术，以减少产品开发时间，响应迅速推向市场 ;先进的设计方法和工具使设 计人员能够方便应用，提高装配质量，降低成本。目前，虚拟装配技术没有完全被业界采用，系统的商业化尚未到来。然而，作为一种技术，它通常被认为是一种可行的和有价值的。  装配设计方法分为 三 种 ：  （ 1） 自底向上方法：从底层逐步向上装配，将每个零件加入到装配体中，这些零件已经设计完成，例如标准件，己经存储的零件等。  （ 2） 自顶向下方法：生产装配在顶部，建立装配结构，逐步增加向下的部分，子装配体或零部件生产，这种设计方式更符合设计师的习惯路线，从组装到设计的各个部分。  （ 3） 上下文设计方法：在装配结构，采用装配树信息设计 零件其他部件的几何形状。  转椅 液压杆 采用自底向上的装配方法，从底层逐步向上装配，将己经设计好的零件加入到装配体中。先将相关零件组装成子装配体，然后把所有的子装配体再装配在一起，组成总的装配体。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 11 图 3压杆 虚拟装配模型  需要购买对应 纸  咨询 14951605 12 4 基于  有限元分析及优化设计  件 概述  世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了 一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。  序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠  形界面 )就可建立各种复杂的几何模型；此外， 提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。  压杆 基于 有限元分析  于 静力分析  转椅 液压杆 主要用于 转椅的升降 ，具有典型意义。首先定义参数 为：内径为 30径为50塞杆直径为 20程为 100小安装距为 150作压力为 1试验压力为 2 考虑到专业的 三维建模软件  有无缝连接，利用 先建立工程 液压杆 的模型，进而导入  ，其结果 如图 4示。  图 4压杆 有限元模型  1) 定义材料属性和网格划分  通常 转椅 液压杆 材料为 45 号钢，其弹性模量为 220松比为 同时考虑到 液压杆 的结构近似为阶梯轴， 高阶三维实体单元 ，其中 元是 20 节点六面体单元，仿真精度高，因此利用 体结构单元可以很好模拟 液压杆 的结构强度。 采用自由网格 (分 ， 得到模型节点数 24602 ，单元数  12798。其网格模型如图 4示。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 13 图 4压杆 网格划分效果图  2) 添加接触单元  因活塞与缸筒之间，活塞杆与导向套之间是相对滑动的，因此需要建立接触对，利用接触向导对话框对活塞杆与导向套之间和活塞与缸筒之间建立接触对能够实现模拟活塞杆与缸筒之间的运动情况。设定接触刚度比例因子为  3) 施加约束和载荷  对构件进行有限元分析时，为使数值解存在且唯一，需要对结构的刚体位移进行消除，使总体刚度矩阵保持非奇异性。考虑到 程用型 液压杆 在实际工程中的具体应用情况，针对 扭转情况，则设定 3 个旋转自由度 两端的耳环处 ，设定 1 个绕轴的旋转的自由度来 模拟铰接约束。 同时设定 对称约束。  由于 液压杆 的实际工作压力为 1据国家规定的试验加载方式，对 液压杆 进行 2 倍载荷的施加，即对 液压杆 施加 2力，分别对缸体内表面、下表面及活塞底端施加载荷。其约束和载荷的加载情况如图 4示。  图 4压杆 的约束和载荷  处理部分是将结果可视化，可帮助用户有效、快捷地分析计算结果。 启动 纸  咨询 14951605 14 求解器对其进行分析求解 ，获得位移云图、应力云图结果等具有借鉴意义的数据分析结果。  图 4压杆 的静力位移云图  从图 4可知道红色部分变形量最大，最大值位于 ，最小值位于 。从其中 液压杆 的最大变形为 于活塞处。  图 4压杆 的静力应力云图  需要购买对应 纸  咨询 14951605 15 图 4压杆 的静力局部应力云图  从图 4可知，最大应力为 位于耳环与活塞杆的连接处。图 6 为活塞杆与耳环连接处的应力分布。最大应力位于耳环与活塞杆的连接处，其应力值为 中 45 号钢的屈服强度为 360拉强度为 610 液压杆 的安全系数为：  3 6 0 / 1 7 5 2 n 由于 45 号钢的安全系数为 以 液压杆 的设计满足强度要求。  于 屈曲 分析  当结构所受的载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种现象称为结构屈曲或结构失稳。而在很多工况场合，当 液压杆 的轴向力达到和超过一定的限度即临界载荷时就会出现失稳，使构件失效，最终导致相关的装置发生坍塌，由于这种突发失效具有突发性，常常带来灾难性的的后果 5。  转椅 液压杆 活塞杆 为关键承载部件，主要 承受轴向载荷， 特别是 当活塞杆直径与活塞杆的 计算长度之比大于 10 时， 必须 校核活塞杆的纵向弯曲强度。具体校核步骤如下：  1）计算静力解 ，结果如图 4 需要购买对应 纸  咨询 14951605 16 图 4塞杆静力位移云图  2）计算特征值屈曲解（包括定义分析类型为屈曲分析、设定分析选项、设定载荷步选项 ， 完成上述设置并保存模型文件后， 进入 解器 进行求解）。  对 转椅 液压杆 提取一阶屈曲形态， 得到活塞杆的位移云图，其中特征屈曲系数为 图 4示。其单位压力 2加横截面积为 231012.3 m ，最终活 塞杆的失衡屈曲载荷为：  F=特征屈曲系数  截面面积 单位压力 613 10 N  计算结果看出，其值远大于液压推力 46 10N ，所以 液压杆 不容易发生屈曲变形，即构件系统是稳定性的， 液压杆 结构合理 。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 17 图 4一阶屈曲形态  于 模态 分析  液压杆 在运动中极易发生共振现象，针对这个问题，通过计算 液压杆 的固 有频率对于避免共振问题具有重要意义。具体分析步骤如下：  在使用 行 静力解计算 时 ，注意一定要激活预应力效应； 然后进行 模态分析解计算（包括定义分析类型为模态分析、设定分析选项，选用 法提取模态，模态数设置为 4、指定载荷步选项、设定输出控制选项，之后进行求解）。  为 清晰 地显示发生共振后的变形，提取了一阶模态和二阶模态的变形云图，如图 4示。  图 4阶模态的变形云图  图 4阶模态的变形云图  需要购买对应 纸  咨询 14951605 18 由图 4以看出， 通过对 转椅 液压杆 一阶模态的固有频率进行计算 ，其结果为 z，由图 4示 二阶模态的固有频率为  而且 最大位移在缸筒与活塞杆的连接处，发生比较大的变形，其值远大于静力分析所求的值，对 液压杆 损害性很大，因此通过计算模态可以有效避免共振的发生，具有很重要的工程价值。  压杆 优化设计  根据上述有限元分析结果，对 关于液压杆的计算结果进行优化设计，优化后结果如下，详细结构参见附件 纸。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 19 总  结  毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的学习机会，通过这次对变电站巡检全向移动小车理论 知识和实际设计的相结合，锻炼了我的综合运用所学专业知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范能力以及其他专业知识水平，而且通过对整体的掌控，对局部