（机械电子工程专业论文）法兰支承液压缸法兰区过渡形线的研究.pdf

中文摘要 摘要 液压机作为一种重要的锻压设备在机械制造行业中占有重要地位，液压缸是 液压机中的关键部件之一，以液压缸的法兰表面作为支承面的液压缸是各种液压 机中采用最多的结构形式。其缸底及法兰均承受弯矩，特别是法兰过渡区应力集 中表现得相当明显。液压缸的失效形式多数是疲劳破坏，主要是法兰过渡区产生 疲劳裂纹。当然，这与实际的制造、安装及使用不当有关，但从设计方面考虑， 关键在于过渡形线的好坏。 本文对液压缸的法兰过渡区的过渡形线进行形状优化。首先，通过对液压缸 破坏原因的探讨，法兰过渡区过渡形线现状的分析，作者研究了法兰过渡区降低 应力集中的方法。作者在此基础上提出了两种新颖的过渡形线：内斜直线与圆弧 组合过渡形线和内凹双圆弧过渡形线；并对此两种新颖的过渡形线进行了介绍。 其次，运用弹性力学理论、环壳联解法编写了计算法兰支承液压缸应力的人机交 互程序，并对现在常用的匾弧过渡形线和外斜直线与圆弧组合的过渡形线进行了 计算分析。对内斜直线与圆弧组合过渡形线和内凹双圆弧过渡形线，进行了几何 尺寸的计算、设计和分析。通过运用弹性力学理论的环壳联解法对上述四种过渡 形线进行了较全面的比较、分析，作者认为内斜直线与圆弧组合过渡形线和内凹 双圆弧过渡形线优于单圆弧过渡形线和外斜直线与圆弧组合的过渡形线。第三， 作者运用有限元分析软件a n s y s 对采用四种过渡形线的液压缸进行仿真分析。在 分析过程中使用了三维等参元s o l i d l 8 6 对液压缸模型进行了计算，然后再采用轴 对称单元p l a n e 8 2 对计算结果进行了验证。基于两种单元计算结果的一致，可以确 认采用两种新过渡形线液压缸的v o nm i s e s 应力较小，应力集中区也相对减少，其 应力分布状况明显优于现有的采用其他过渡形线的液压缸。第四，通过a n s y s 软 件的d e s i g no p t 模块以液压缸的总体积为目标函数，以四种过渡形线的几何控制 参数为设计变量，以液压缸过渡区的最大v o nm i s e s 应力为状态变量分别进行了一 系列的优化工作，得到了最优解。通过对过渡形线的优化结果进行分析，作者提 出了各过渡形线主要参数的取值范围，以便于工程技术人员参考。经过对四种过 渡形线最优解的比较、分析，结果再次表明内斜直线与圆弧组合过渡形线和内凹 双圆弧过渡形线优于单圆弧过渡形线和外斜直线与圆弧组合过渡形线。最后，通 过a n s y s 软件的f a t i g u e 模块进行了疲劳耐久分析，结果表明采用此两种新型过 渡形线的液压缸的疲劳耐久性表现良好，适合实际的工程需要。 关键词：过渡形线，有限元，a n s y s ，形状优化，疲劳分析 英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i cm a c h i n ea s 缸i m p o r t a n tf o r g i n ge q u i p m e n ti nm a c h i n e r ym a n u f a e t u r i n g i n d u s t r yo c c u p i e s a ni m p o r t a n t p o s i t i o n , h y d r a u l i cc y l i n d e r i so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t s h y d r a u l i cc y l i n d e ro ft h ef l a n g es u r f a c et ot h eb e a r i n gi s a l lo r d i n a r y s t r u c t u r eu s e du pt ot h eh y d r a u l i cm a c h i n e i t sb o t t o ma n df l a n g ea r eu n d e rm o m e n t , i n p a r t i c u l a rt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nf l a n g ei r a n s i t i o n7 0 1 1 ei ss h o w n t ob eo b v i o u s t h e f a i l u r em o d eo fh y d r a u l i cc y l i n d e ri sf a t i g u ed a m a g e ，w h i c hi sf a t i g u ec r a c ki nf l a n g e t r a n s i t i o nz o i i e ：o f c o u r s e t h em a n u f a c t u r e , i n s t a l l a t i o na n du s eo f m i s c o n d u c ta l em a i n c a l l s e b u ta sad e s i g n e r , t h eq u a l i t yo f l r a n s i t i o nc u l v ei sak e y i nt h i sp a p e r , l x a n s i t i o n - e u r v eo ff l a n g et r a n s i t i o nz o n ei nt h eh y d r a u l i cc y l i n d e r w i l lb eo p t i m i z e d f i r s t l y , t h r o u g hx 呛s e a r e h i n gt h ec a u s e so fd a m a g eo fh y d r a u l i c c y l i n d e r , a n a l y z i n gt h et r a n s i t i o nc u i v i 。o ff l a n g ei r a n s i t i o nz o n l 。, t h ea u t h o rs t u d i e d m e t h o d so fr e d u c i n gs | 嘲se o n e e n l r a f i o ni nt h ef l a n g et r a n s i t i o nz o n e b a s e do na b o v e r e s e a r c h , t h en e wt w ot r a n s i t i o nc l i i v et h a ta l et h ec u l v eo ft h ei n n e rb i a sa n d a n d t h ec u r v eo ft h ed o u b l e1 1 1 cw e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , d e p e n d i n gt h ee l a s t i c i t yt h e o r y a n dt h em e t h o do fr i n ga n ds h e l lc o m b i n a t i o n , c a l c u l a t i o np r o g r a mo ft h es t s so f b e a r i n gf l a n g ec y l i n d e rh a sb e e nd e s i g n e d t h ea 幽mo fs i n g l e 眦a n dt h ec u r v eo f o u 嘧b i a sa n d8 1 ch a db e e na n a l y z e d t h ea l r v eo ft h ei n n e rb i a sa n d 呲a n dt h e c u r v eo ft h ed o u b l ea r ch a db e e nd e s i g n e di n g e o m e l r i ea n a l y s i s t h r o u g ht h e a p p l i c a t i o no fe l a s t i c i t yt h e o r ya n dt h em e t h o do fr i n ga n ds h e l lc o m b i n a t i o n , a b o v e f o u rc u eo ft r a n s i t i o n7 - 0 1 1 eh a db e e nc o m p a r e da n da n a l y z e , 1 t h er e s e a r c h i n g p r o v e dt h a tt h ec i u v c ：o ft h ei n n e rb i a sa n da r ca n dt h ec u r v eo ft h ed o u b l ea r cw e r e b e t t e rt h a nt h ec i , i i v eo f s i n g l e 戤a n dt h ec u co f o u t e rb i a sa n da r c t h i r d , t h ea u t h o r s u s e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r ea n s y st os i m u l a t ea n da n a l y z et h etf o u r h y d r a u l i cc y l i n d e r i nt h ep o c 船$ o fb e i n ga n a l y z e d , t h r e e - d i m e n s i o n a li s o p a r a m e t r i e d e m e n ts o l i d l 8 6a n da x i s y m m e l r i ed e m e n t sp l a n e 8 2w e r eu s e d f i n i t ed e m e n t a n a l y s i ss h o w e dt h a tv o nm i s e ss t r e s so ft w o1 3 e l wc u l v et r a n s i t i o nh y d r a u l i cc y l i n d e r w 勰s m a l l e r , s t r e s se o n e c n l z a t i o ni sc o r r e s p o n d i n g l yc l e e r e a s d t , a n dt h es l l c s s d i s t r i b u 吐o ni s s u p e r i o rt ot h eo t h e re x i s t i n gl r a n s i t i o na 】i v eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r 1 7 0 l m h , i nt h ed e s i g no p tm o d u l eo fa n s y $ s o t t w a r e , t h et o t a lv o l u m eo fh y d r a u l i c c y l i n d e rw f l so b j e c t i v ef u n c t i o n , g e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft r a n s i t i o nz o n ew e r ed e s i g n v a r i a b l e s ，t h el a r g e s tv o nm i s e s 剐瑚so f t h eh y d r a u l i cc y l i n d e rw e r es t a t ev a r i a b l e s t h e m 重庆大学碜 学位论文 o p t i m a ls o l u t i o nw e r ef o u n db yas e r i e so fo p t i m i z a t i o n t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n a n a l y s i s ，t h ea u t h o r sl i s t e dt h et h em a i np a r a m e t e r sv a l u eo ft r a n s i t i o nc b r v e a f t e r a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o bt ot h eo p t i m a ls o l u t i o n , t h er e s u l to n c ca g a i ns h o w st h a tt h e c u r v eo f t h ei n n e rb i a sa n da r ca n dt h ec u r - d eo f t h e d o u b l ea r cw c eb e t t e rt h a nt h ec u l v e o fs i n g l ea r ca n dt h ec b r v eo fo u t e rb i a sa n d a r c f i n a l l y , u s i n gt h ef a t i g u em o d u l eo f a n s y ss o f t w a r e ，h y d r a u l i cc y l i n d e rw i t sl o a d e df a t i g u ea n dd u r a b i l i t ya n a l y s i s 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt w on g wc u r v e so ft h et r a n s i t i o nz o n eh a dag o o dp e r f o r m a n c ei n f a t i g u ed u r a b i l i t ya n dw a ss u i t a b l ef o rt h ea c t u a lw o r k s k e y w o r d ：t r a n s i t i o nc u l v e , f e m , a n s y s ，s h a p eo p t i m i z a t i o n , f a t i g u ea n a l y s i s w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及敝 雩导熬磷究成暴。据我掰知，除了文中特剃加以标注翻致谢的逮方乡 ，论文 中不包含其倥人已经发表或撰写过的磷究成果，也不包含为获得重送态鲎 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢f 可狼签字慨矽7 年胤) 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鲟重麽太堂有关保留、使用学位论文的 裁定，有权保鏊并囊瓣家有关懿门或枫稼送交论文酶复涕件帮磁盘，允诲 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部戒部 分内容编入有关数据滕进行检索，可以采用影印、缩印戏扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 缳密() ，在年勰密后逶罔本授权书。 本学位论文属予 不保密( v ，。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者躲衙渗 签字目期：年，月多7 曰 导师签名曼嘞参 签字目期：波吁年，月 舀 l 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景 进入二十一世纪以来，我国工业生产的快速发展，给机械设备制造业带来了 发展的机遇。液压机是机械制造业的一种基础设备，其应用涉及国民经济的各个 领域。目前，在国内液压机设计中，其外观和结构不仅企业与企业之间千差万别， 即使同一企业内，同一产品，设计者不同，设计结果也可能存在较明显的差别。 因此，设计质量的高低在很大程度上取决于设计师的技术水平。 液压缸是液压机中的关键部件之一，对液压缸的设计也是液压机设计的重要 组成部分。以缸的法兰表面作为支承面的液压缸是各种液压机中采用最多的结构 形式，其缸底及法兰均承受弯矩。若采用常规算法对液压缸进行强度校核设计， 则不易得出准确的计算结果，且无法了解液压缸各部位上的应力分布状态和变形 情况。特别是对某些应力集中区的设计时，为了减少应力集中区的应力，往往盲 目的增加法兰及缸底的厚度，浪费了材料，并且难以提高产品的设计质量和水平。 随着c a d c a m c a e 技术的日益普及和应用，有限元分析等现代结构分析方法己 为工程设计人员广为认识和采用，并取得了显著的技术经济效益。有限元分析方 法己在航空、航海、土建、机械等领域获得广泛应用，但在液压机等机械的产品 设计中应用还不多，许多产品仍沿用传统的设计方法，这常常造成液压缸由于设 计不当而过早破坏。液压缸强度分析的理论及方法，国内、国外已有不少论述【l 】。 其实际的设计方法可总结为以下两类： 基于弹性理论的设计方法 这是一般工程设计中最常用的方法，大都是根据设计者的直观经验及简单的 弹性力学经验公式，人为假定一些几何参数，以校核通过为准。而校核公式计算 误差大，无法计算法兰及缸底过渡区的应力场，而恰恰是这两个部位的应力最高， 是破坏的主要发生部位。这类方法的主要缺点在于不能主动选择较好的结构尺寸， 在具体设计中，一些主要结构参数的选择还是根据经验，往往带有一定的盲目性。 例如，在大型液压机的主工作缸设计时，为了减少应力集中区的应力值，往往盲 目地增加法兰及缸底的厚度，但这并不能有效的解决难题。 基于优化理论的设计方法 这是近年来研究较多的方法，其基本原理是：把一些结构参数作为设计变量， 依据一定的目标和约束，把优化理论应用其中【2 】。随着现在计算机技术的高速发展， 以计算机为工具的优化设计也蓬勃发展，在理论、方法和软件等方面的取得了显 著进展。这些都为液压缸的最优化设计提供了先进的方法和工具，并且大量的节 重庆大学硕士学位论文 省了设计过程中的人力、物力，使得液压缸的设计任务由被动的分析校核上升为 主动的设计与优化。 1 2 结构优化设计的概念及其研究意义 结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的。 传统的结构设计，要求设计者根据设计要求，按本人的实践经验，参考类似 的工程设计，通过判断和简单的分析方法去创造初步设计方案；然后用较精确的分 析方法去进行强度、刚度、稳定性等各方面的计算。实际上这里的计算是对给定 的方案作力学分析，起一种校核与补充的作用，仅仅证实了原方案的可行性。对 校验结果设计人员用直观的判断方法，发现有不合适的地方，则对设计参数进行 调整。当然，设计者有条件时总还要研究几个可能的方案来进行比较，从而对结 构布局、材料选择、构件尺寸、结构外形等进行修改，以便得到更为合理的方案。 然而，为了使结构有可靠的生存能力，重要的承力结构一般都是静不定的。因此， 结构参数的改变会引起内力的重新分布，于是要再分析与再调整，如此反复多次， 才能获得一个满足设计要求的较好设计方案。这种设计方法的产品性能优劣主要 取决于设计人员的水平，而且设计周期长，并要耗费大量的人力和物力，要想以 此得到一个优化设计方案几乎是不可能的，特别是对于大型、复杂工程系统的设 计更是如此。 从结构优化设计角度来看，传统的结构设计的特点是所有参与计算的量必须 以常量出现，用结构优化设计的术语来说，这种通过结构分析计算合格的设计是 “可行的”而未必是“最优的”。结构优化设计是设计者根据设计要求，在所有参与计 算的量部分以变量出现，形成全部可能的结构设计方案域【3 1 。在这个设计方案域中 有众多的可行的设计方案和众多的不可行设计方案。利用数学手段，按设计者预 定的要求，从域中选出一个不但可行且最好的设计方案，其计算工作量是惊人的。 靠传统的设计方法也是无法完成的。因而优化设计所得的设计方案，不仅是传统 设计的“可行的”设计方案，而且是众多可行方案中“最优的”设计方案，这里所说的 “最优”，是相对设计者预定的要求而言。结构优化设计与普通的结构设计采用的是 相同的基本理论，使用同样的计算公式，遵守同一的设计规范和施工技术或者构 造规定，因而结构具有相同的安全度【4 】。传统的方法无论是分析还是设计都存在大 量的简化和经验，准确性差，计算速度慢，设计周期长。随着壮会经济的发展， 工程结构更加复杂，对其要求也更高，传统的设计方法已不能满足工程需要，人 们希望有一个准确性好、设计效率高的新方法出现。 近年来，由于有限元研究和应用的相对成熟，计算机功能的进一步完善，各 种计算机辅助分析、计算机辅助设计技术相继出现，以及熟悉计算机等新技术的 2 1 绪论 年轻一代工程技术人员的成长，使得高速度、高精度地完成复杂结构的数值分析 工作成为现实。计算机己成为设计工作者进行优化设计创造性活动的得力工具， 它在优化设计中占有极重要的位置。应用计算机进行最优化设计与传统的设计相 比，具有如下的特剧习： 设计遵循的原则与目的，是使设计最优。为了达到这个目的，就需要建立 一个正确的反映设计问题的数学模型。 设计的方法是数学规化方法。一个设计方案参数的调整是计算机沿着使方 案向着更好的方向自动进行的，从而选出最优方案。 设计的手段是计算机及计算机程序。由于计算机的运算速度快，重分析一 个设计方案以分计甚至以秒计，因而可以从大量的方案中选出“最优方案”。 无论国外还是国内，对这一现代技术的需求都有增长的趋势，随着数学规划 理论的发展，有限元分析技术的成熟与计算机技术的飞速发展，使结构优化设计 完成了从感性到理性的转变，现代结构优化设计技术从产生、发展逐渐走向成熟。 虽然初始设计方案的提出还要设计人员的参与，但优化设计过程是利用计算机自 动完成设计方案的改进，设计中人的参与成分大大减少，从而减轻了设计人员的 工作强度。同时设计的过程是利用计算机工具，可充分借助计算机技术的优势， 缩短设计周期，扩大设计问题的规模。由于优化迭代过程是根据优化理论进行方 案改进，寻找到的方案是最优解。结构优化思想一经提出立即得到了广大学者与 设计人员的重视，开展了广泛而深入研究，结构优化学科随之也飞速发展，目前 被认为是计算力学最活跃的分支之一。 优化研究可分为几个层次，由低到高依次为： 结构截面尺寸的优化设计是优化设计的第一阶段，此时以结构截面尺寸作 为设计变量，以有限元方法作为结构分析手段，采用常规单元( 例如杆件截面积、 梁元截面尺寸、膜或板以及壳单元的厚度等等) 的几何变量作为参数，优化设计目 标是降低结构重量，充分发挥材料的机械性能为优化设计目标。在结构强度、刚 度等约束下的寻优过程中，设计变量与刚度矩阵一般为线性关系，因此，在结构 分析与优化算法的连接中，由于设计参数均是以有限元中诸如杆单元或粱单元截 面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程并不改变结构的有限元网格 模型，所以，其研究和应用已经比较成熟。 结构几何优化。8 0 年代后期，结构边界形状优化设计引起了人们的关注， 研究重点是确定连续体结构的边界形状或内部结构，诸如杆系结构的节点位置优 化、连续体结构应力和温度场分布优化等。连续体结构形状优化设计中，设计变 量是目标中控制微分方程的定义区域，即形成所谓可动边界问题。众所周知，只 有在特别简单的区域形状中，才能对给定区域形状和边界条件的微分方程得到解 重庆大学硕。t - 学位论文 析解。因此，实现连续体结构的形状优化的问题并没有真正得到解决。 结构优化设计的第三阶段是进行拓扑结构优化。拓扑优化设计就是通过一 定的算法能够使设计结果在满足约束的前提下派生出一个或一组结构，之所以称 其为拓扑结构，是因为派生的结构可能在几何形式、单元形式等方面突破了初始 结构布局。 结构优化设计的第四阶段是进行结构布局优化。它除了包括前面三种结构 优化的主要内容外，还包括对结构类型的优化，是结构优化的最高层次。 一方面，优化问题层次越高，优化的范围和难度就越大，优化效率就越高； 另一方面，数学模型和解法也就越复杂，求解也就越困难。目前对较低层次优化 问题研究相对成熟，高层次优化问题的研究也在逐渐深入。从解决问题的复杂程 度上来看，己由简单的精架结构设计发展到由梁、板、壳等组成的航空、航天飞 行器以及船舶、建筑等领域的复杂结构设计。所能考虑约束种类由最初的应力、 位移约束发展到稳定性、动力特性及颤振约束等。设计变量由连续性变量发展到 离散性变量的优化。目前多数研究工作只限于单目标的局部优化问题，而工程结 构优化往往是多目标的，这方面优化问题也在研究之中。 集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程科学于一体的结构优化设 计是现代结构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设 计尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为现代设计方法的重要内容之一。 结构优化作为一种新的现代结构设计方法，较传统的结构设计方法显示出巨大的 优越性，尤其对大型工程结构的设计可以节省大量的人力物力。目前，结构优化 设计的应用领域己从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑等更 广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构刚 度、强度性能和提高安全寿命等更多方面【6 】。 然而，尽管结构优化的研究非常活跃，但是作为- - f - 技术还没有象结构有限 元分析那样在工程界广泛使用。究其原因，主要有以下几方面： 首先，结构优化问题中结构响应与设计变量有很复杂的函数关系，优化问题 往往是求解复杂的非线性规划问题，其难度与复杂程度远比结构分析大，同时目 前优化方法本身还存在着一些不足之处，使用范围还受到具体问题限制，对一些 高层次的优化问题如拓扑、结构布局优化还处于研究之中。 其次，应用结构优化技术要求工程技术人员具备优化理论，力学分析、计算 机知识和丰富的设计经验，因而需要一个过程来使工程界认识和使用。 第三，优化技术还不能取代设计人员在整个结构设计中主动性、创造性的工 作，还需要设计人员的参与，只是设计人员的工作内容、方式与组织形式改变了。 第四，对设计经验、随机性、模糊性等不确定性信息处理合理与否，也直接 4 1 绪论 影响结构优化技术的推广应用。 第五，优化设计数学模型难以完全反映工程设计的实际情况，随着优化设计 研究深入，适用性更强的优化方法提出，以及优化软件的实用化、商品化，优化 设计技术必将会为越来越多工程设计人员所认识与接受。优化技术在工程设计中 也必将发挥越来越大的作用。 1 3 课题的目的及意义 液压缸破坏的主要原因是疲劳破坏，疲劳破坏特别容易发生在产生塑性变形 比较大的高应变区，如法兰与缸底过渡区。影响应力集中区域应力大小的主要因 素有：缸底厚度、法兰高度、法兰外径、缸壁厚度、法兰与缸壁之间的过渡形线、 缸底与缸壁之间的过渡形线1 7 】。对上述应力集中区域进行结构形状优化能有效的解 决应力集中所造成的破坏。 目前，对液压缸整体进行优化设计发展已经比较成熟，应用优化理论，把一 些结构参数作为设计变量，依据一定的目标和约束来进行设计。一般以缸底厚度、 法兰高度、法兰外径、缸壁厚度为设计变量，重量为目标函数，以应力小于许用 应力为主要约束，对液压缸进行优化设计。而对法兰及缸底之间的过渡形线进行 优化设计，降低应力集中却未能得到完美解决。 因此，本文的研究目的是基于结构优化设计理论、优化方法，运用有限元结 构分析技术、弹塑性力学理论，通过弹性力学与有限元方法的对比分析，对液压 缸的缸筒与法兰联接过渡区的过渡形线进行优化。以a n s y s 软件为主要的分析运 算工具，对比、分析多种了液压缸的缸筒与法兰联接处过渡形线，得到了一系列 的可靠数据，为液压缸的形状优化提供了可靠的理论依据。本文的创新之处在于 首次提出了两种新颖的过渡形线：内斜直线圆弧组合过渡形线和内凹双圆弧过渡 形线。并借助有限元分析软件a n s y s 进行了仿真分析，对过渡形线的几何参数进 行优化，提出了各过渡形线主要几何参数的取值范围，以便于工程技术人员参考。 最后进行疲劳验证，以证明内斜直线圆弧组合过渡形线和内凹双圆弧过渡形线优 于现有的过渡形线，能运用在工程实践中。 5 2 液压缸法兰区过渡形线研究的理论基础 2 液压缸法兰区过渡形线研究的理论基础 2 1 液压缸的破坏原因 疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复作用下出现断裂破坏的现象，液 压缸的损坏就是结构在交变载荷下发生的疲劳破坏。液压缸的疲劳破坏特别容易 发生在产生塑性变形比较大的高应变区。法兰支承的液压缸只有缸底过渡区、法 兰过渡区、法兰支承区的应力水平甜”。其中缸底过渡区和法兰过渡区，如和矾都 比较高，裂纹既易萌生，又易扩展，是全缸的危险区。法兰过渡区的氏为全缸的 第一位，但正为压应力。液压缸的失效形式是疲劳破坏，主要是法兰过渡区产生 疲劳裂纹。当然，这与实际的制造、安装及使用不当有关，但从设计方面考虑， 关键在于过渡形线的好坏。对于过渡形线，应从下列方面进行分析： 应力场状况 疲劳破坏不仅与最大应力点的值有关，而且与此区域的应力状态有关：整个 高应力区的范围( 宽度与深度) ，以及应力梯度，即低应力区材料的支持效应。由于 缸体是大型锻件或铸件，材料性能存在着不均匀性，以及表面和内部都有可能存 在某些缺陷，因此，应力峰值点并不是唯一能产生疲劳裂纹源的地方，而是整个 高应力区，在材料性能较弱或有缺陷处，都有可能产生疲劳裂纹源。高应力区的 范围越大，破坏的概率也越大。 过渡形线宽c 与支承反力臂之间的制约关系。 如图2 1 所示，过渡形线轮廓尺寸c x a 越大，应力集中系数越小，但随着形 线底宽c 的加大，横粱支承面的支反力力臂也随之加大，从而使弯矩变大。 卜1 一 图2 1 形线轮廓 f 嘻2 1t h ec u n 忙o fs h a p e 图2 2 单圆弧过渡形线 r i g 2 2c m v eo f s i n g l ea f c 形线的曲率分布 一般而言，曲率小且蓝率变化缓慢是减小应力集中的办法。因此，采用二重 莺庆大学硕士学位论文 曲线或多重曲线的形线有助于减小应力集中。 2 2 法兰过渡区过渡形线的现状 为了最大限度地减小法兰过渡区的应力集中以保证液压缸有足够的疲劳强度 和寿命，国内外曾有许多学者和企业对法兰过渡区过渡形线进行过研究，提出了 许多可供实际使用的法兰区过渡形线1 1 1 。归纳起来，大体有四大类：单圆弧过渡形 线、外斜直线圆弧组合过渡形线、六圆弧组合内凹过渡形线和各种“优化过渡形线”。 单圆弧过渡形线 单圆弧过渡形线如图2 2 所示。这种过渡形线最简单，但效果不理想，尤其当 过渡圆角半径r 较小时更是如此。为获得尽可能好的效果，只有加大过渡圆角半径 r ，但过大的过渡圆角半径r 一方面会造成加工困难，而且会使法兰的外径变大， 除了造成液压缸的自重增大外，还会使液压缸法兰支承反力的力臂加大从而使液 压缸受力恶化。中小型液压机的液压缸通常采用这种过渡形线。 外斜直线圆弧组合过渡形线 外斜直线圆弧组合过渡形线如图2 3 所示，它由高度h 、角度a 和圆角半径r 控制。原苏联学者m 卫弱0 b 曾采用光弹试验测定过它的应力集中系数，对它作 了全面研究和应用。我国学者曾将这类形线作为2 0 0 0 0k n 模锻水压机主缸法兰的 过渡形线，并多次对它作了改进。仅从降低应力集中的观点，这类过渡形线的效 果较单圆弧过渡形线好，而且参数h 、口和r 越大，效果越明显。但过大的h 、口 和r 造成的负面影响较单圆弧过渡形线增大圆角半径r 还要严重，而且有时还会造 成液压缸定位困难。中、大型液压机的液压缸常采用这种过渡形线。 隧国 图2 3 外斜直线圆弧组合过渡形线 f i 9 3 3 c u r v eo f t h eo u t c rb i a sa n da r c 六圆弧组合内凹过渡形线 六圆弧组合内凹过渡形线如图2 4 所示，由原苏联学者。矸a l 提出，并在 8 2 液压缸法兰区过渡形线研究的理论基础 匿n e m i i i 强度实验室用三维光弹实验证明了这是一种应力集中系数最小( 小 于1 1 7 ) 的过渡形线。由于内凹，故采用此类过渡形线的液压缸重量最轻，而且液 压缸法兰支承反力的力臂最小，受力最合理。但这类形线过于复杂，它由三个角 度a l 、a 2 、a 3 、一个深度h 和6 个半径r i 、f 2 、1 3 、r 4 、1 5 、r 6 控制，其中r 2 = r 5 、r 3 = f 6 。 在所有过渡形线中，这种过渡形线最复杂、加工最困难。 图2 a 六圆弧组合内凹过渡形线 f i 9 2 4c t h - v eo f t h es i xa r c 优化过渡形线” 优化过渡形线”系由高校( 如重庆大学、清华大学等) 学者采用最优化理论，通 过对过渡形线形状优化确定的多种由多段三次样条曲线( 或其它曲线) 拟合而成的 组合形线。这种过渡形线的基本走向同外斜直线圆弧组合过渡形线相似，因此它 有与外斜直线圆弧组合过渡形线相同的缺点，而且加工更困难，但它具有较小的 应力集中系数。类似的过渡形线还有简化的b a u d 形线等，在此不再一一列举。 2 3 法兰过渡区降低应力集中的方法 在对液压缸进行设计时，法兰过渡区的形状会形成应力集中源，使法兰过渡 区的局部实际应力达到名义应力的若干倍。在受交变应力使最容易在有较大应力 集中的部位产生裂纹，裂纹迅速扩展使液压缸疲劳失效。因此，在对液压缸的设 计时降低法兰过渡区的应力集中是提高液压缸的疲劳强度的重要途径。 采用结构形状设计降低应力集中常用的方法有【町： 改变应力集中处零件的形状，如采用圆角半径、增大圆角半径等； 9 重庆大学硕士学位论文 图2 5 中，给出了三种不同缺口形状的应力集中状态的比较。 k 。也 k 一 图2 5 缺口根部圆角对应力集中的影响 f i g 2 5t h e8 1 t sc , o n c e n t r a f i o ne f f e c t so f f i l l e tg a p 减小名义应力，如局部加强等； 图2 6 a 中板孔附近有较大的应力集中。加大板的厚度，板的名义应力减小， 应力集中也减小了。把孔的周围局部加厚( 图2 6 c ) 可进一步减小应力集中系数。 匪圈圈 ( a ) o )( c ) 图2 6 降低名义应力以减小最大应力 f i g 2 6r e d u c en o m j n a l 刚t 目st or e d u c et h e m a x i r t u l ns t r e s s 采用卸荷结构，如制作卸荷槽、卸荷孔以减小刚度等。 1 0 2 液压缸法兰区过渡形线研究的理论基础 在应力集中源附近，在零件上作出附加的结构( 槽、孔等) ，使该处刚度减小， 从而使原应力集中源附近零件刚度的变化较平缓，使应力集中减小。图2 7 b 是在 板上原有大孔两边各钻一个较小的孔，使最大应力减小。图2 8 是轴的卸荷槽。 匪酉 (丑)(b) 图2 7 扳的卸荷结构 f i 簖7u n l o a d i n g 嘧u c n no f t h eb o a r d 9) ( i 图2 8 轴的卸荷结构 f 啦8 叫o a d i n g 咖衄o f t h e 础 以上三种方法在液压缸法兰区的过渡形线设计中均有采用。传统的单圆弧过 渡形线、外斜直线圆弧组合过渡形线和“优化过渡形线”主要依据、提出；六圆 弧组合内凹过渡形线是依据提出。 在现在的液压缸生产过程中，大部分法兰过渡区的过渡形线采用单圆弧过渡 形线或者l o 1 5 度外斜直线与圆弧组合过渡形线。六圆弧组合内凹过渡形线和“优 化过渡形线”这两种形线因为加工困难，在实际生产中基本上不使用。为了增加液 压缸的使用寿命，通过对上述降低应力集中方法的分析、研究，作者提出了两种 新颖的过渡形线：内斜直线圆弧组合过渡形线及内凹双圆弧过渡形线 9 1 。如图2 9 所示，由一条向缸壁内部倾斜的直线和一段相切圆弧组合而成的过渡形线，简称内 斜直线圆弧组合过渡形线。这种新型过渡形线的尺寸由高度h 、倾角a 和圆角半径 r 控制。 重庆丈学硕十学位论文 h 饧 、 习 砭 么乏么么 q p - 一 图2 9 内斜直线圆弧组合过渡形线 f i g 2 9c u r v eo f t h ei n n e rb i a sa n da r e 如图2 1 0 所示，由两条向缸壁内部凹陷的相切圆弧组合而成的过渡形线，简称 内凹双圆弧组合过渡形线。这种新型过渡形线的尺寸由高度h 、偏心距e 、圆心高 h l 、大圆弧半径r l 和小圆弧半径r 2 控制。 h 图2 1 0 内凹双圆弧组合过渡形线 f i g 2 1 0c u r v e o f t h ed o u b l ea r c 2 4 本章小结 通过对液压缸破坏原因的分析，清楚的证明了处于高应力区域的法兰过渡区 在通过过渡形线的设计后，可以有效的降低应力集中。然后列出了四种现有的过 1 2 2 液压缸法兰区过渡形线研究的理论基础 渡形线及其应用特征。最后通过对降低应力集中的方法的研究，提出了两种新颖 的过渡形线内斜直线圆弧组合过渡形线及内凹双圆弧过渡形线。 3 基于弹性理论的过渡形线分析与设计 3 基于弹性理论的过渡形线分析与设计 3 1 弹性力学方法的应力计算 法兰支承的液压缸，其缸底及法兰部位均承受弯曲，这两处的弯矩，对于中 间筒体部位的应力均会产生一定程度的影响。如果液压缸短而粗，则缸底与法兰 部位的弯矩不仅会对中间筒体部位应力产生较大影响，而且相互之间也有影响。 因此，运用弹性理论对法兰支承液压缸作内力分析时采用环壳联解法吐以单圆弧 过渡形线计算为例，基本思路如下： b 图3 1 受力简图 f i g _ 3 1f 栅d i a g r m n b 图3 2 计算模型 f i & 3 2c a l c u l a t i o n m o d e l 对于法兰支承的液压缸，由于其几何形状、支承方式、内部液体的工作压力 及外载的轴对称性，因此可以取其任一子午面上的受载情况来反映整个缸的受力 状况，如图3 1 所示。将其沿两个垂直于对称轴的平行平面a a 及b b 平面切 开，如图3 2 所示，则在截面上，各环之间相互作用有力和力矩。图中q 、m i 和 n i 为各截面内力由于轴力n i 是静定的，故只有剪力q l 、q 和弯矩m l 、m 2 未 知。将切开后的缸底及法兰部分分别视为沿其中心线均匀分布的力偶扭转下的圆 环，而中间筒体部位则属于圆柱壳范畴，将其中心圆周上单位宽度的窄条视为弹 性基础上的有限长粱。根据变形谐调条件，建立如下四元线性联立方程组【1 川【1 1 1 ： a l i m l - t a 1 2 q l + a 1 3 m 2 + a 1 q l 暑b i 赴l m l 十勉q l 蛔豳m 巾2 i ( 2 神2( 3 1 ) a 3 1 m l + a 3 2 q l + a 3 3 m 2 + a 3 4 q 2 - - - b 3 a , t 1 m i + a 4 2 q l + a 4 3 m 2 + a 4 4 q 2 两4 重庆大学硕士学位论文 导出式3 1 中的2 0 个系数表达式【，即可解出未知内力q l 、m 。、q 2 及m 2 。 求解式3 1 后，由求得的内力q 1 、q 2 、m 1 及m 2 可计算缸体上任一点的三向 应力”2 】。求解应力时，在过渡圆角部位，按实际的截面几何参数计算应力。坐标 取法如图3 3 所示，径向以液压缸中心线为零线，轴向以法兰底面为零线，并令z = l x ，任一点的坐标为p ( r ，x ) ； 径向应力 轴向应力 图3 3 计算坐标系 f i g 3 3t h ec a l c u l a t e dc o o r d i n a t e s o r r = p 鑫降- - g 2 p 蔬【1 。7 j ( 3 2 ) 仃：l ：i n( 3 3 ) 吒- 2 瓦 ) 吩掣( r - _ ( 3 4 ) m ( z ) 为轴向弯矩分布函数： m ( ：) = q l ( 卢z ) m ：+ q 2 ( z ) 鲁一4 d 2 2 q 3 ( z ) y o 一4 。卢q i ( z ) o o ( 3 5 ) 总的轴向应力为： 1 6 3 基于弹性理论的过渡形线分析与设计 巳= 吒l + 吒2( 3 6 ) 切同压力 q ，= p 鑫愕) ， ：巳：掣( 卜：) ( 3 - 8 ) = 了e 国( ：) ( 3 9 ) 口( ：) 为该点径向位移，( z ) = y ( z ) 心) = 一h 纠峨( 纠告+ 去刚纠鸩+ 矗q ( 肛) q 2 ( 3 1 0 ) 总的切向应力为 q = q l + a f 2 + q 3( 3 1 1 ) 以上诸式中的r 为计算点的径向坐标。当计算简体内、外表面应力时分别用相 应位置的内、外半径代入。其它未说明的符号详见文献【1 1 。 3 2 采用人机交互界面的过渡区应力计算 对上节所述的计算方法，如用手工计算，不但耗时颇多，而且工作量太大， 所以作者采用v i s u a lc + + 语言编写了用于计算的人机交互界面，v i s u a lc 卜+ 作为一 个功能非常强大的可视化应用程序开发工具，是计算机界公认的最优秀的应用开 发工具之一。m i c r o s o f t 的基本类库m f c 使得开发r m d o w s 应用程序比以往任何 时候都要容易。v i s u a lc + + 作为一种程序设计语言，它同时也是一个集成开发工具， 提供了软件代码自动生成和可视化的资源编辑功制”】【1 4 1 。如图3 4 所示； 1 7 重庆大学硕士学位