（车辆工程专业论文）高压胶管总成力学模型及其扣压过程控制系统研究.pdf

摘要 液压工程中一个突出的问题是，对胶管总成连接质量控制没有一个严格的理 论界定，表现为：对胶管接头设计没有数学模型描述：对总成压缩量没有数 学模型描述。在工程实际中，总成压缩量都由试验确定。如果扣压机控制系统的 压缩量标准建立在现行经验标准上，必然导致不准确。正是在这种背景下，本文 展开了如下研究： 1 对液压工程应用极其广泛的锯齿型胶管总成建立了力学模型。在力学模型 的基础上，得出了总成应力应变关系，分析了胶管总成连接质量的影响因素，提 出了胶管总成连接质量控制准则，确定了相应的控制策略，使得胶管总成在扣压 过程中不需要检测套筒外径以及总成的配合间隙，有利于提高总成的连接质量。 2 根据胶管总成质量控制准则，设计了一套基于单片机的自动控制系统。为 了适应可视化操作，本文引入、i n d o w s 编程理念到单片机编程中。在适时检测t ， 引入了相关分析法，使得系统能够准确捕捉外套内齿与钢丝层接触时的特征区间 位嚣，从而实现了胶管总成扣压过程的自动控制。 3 进行了现场扣压和爆破实验，验汪了模型正确性和控制系统有效性。 本文在三个方面有所创新： 1 在设计理念上，提出了胶管总成连接质量控制准则，克服了传统的依照经 验确定压缩量的缺陷。 2 首次建立了胶管总成力学模型。 3 提出了变齿距设计总成接头结构，并对该结构进行了有限元分析验证。 本文在理论有e 述突破，为工程实际提供了理论依据。在实践卜，开发了一 套扣压机自动控制系统，有助于提高压管的效率和总成连接质量。因此，本文具 有重大的工程实用价值。 关键词胶管总成，扣压机，力学模型，有限元方法，单片机控制 a b s t r a c t o n e 蛐d e r l y i n gp r o b l e mi nh y d 馏u l i ce n g i n r i n gi sm a tw eh a v e n ta 鲥c t t l l e o r y t oc o n t r o l 也ec o l l l l e c t i o n q u a l “y o fh o s ea s m b l y i e 、eh a v en o r e 船o n 矗_ b l em 耐h e m a l i cm o d e l si nt h e d e s i g l l i n g o fh o c o 蛐e c t o r 吼d 也e c o n 仃o l l i n go fi 协s w a g i n gq 啪蛐s o 也ea p p l i c a t i o no fe n g 沁嘶n g 蛆dt h e 珏8 t i o n a ls t a n d 羽d sa b 撼e do n e x p e r i m e 珏t s 1 ft h ec o 珏t r o ls y s t 鼬o ff h es w 8 9 e ri s b 鹳e do n e x p c i i m e n t s ，i t w i l lr e s l i l ti n s o m e t h i n gi n c u 埘e u f l d e r 也e s e c i r c 硼咀s t 眦c e s ，t h ef o l l o w m gw o r ki sd o n e f i r s t l y a 矗n i t ee l e m e n t 麒l o d e lo ft h es a w - t o o t l lh o s e 黔s 黜b l yl h a ti s8 口嘲i e d c o m p re ：h e n s i v e l yi i ih y d r a u l i ce n g i n e e 曲gi se s t a _ b l i s h e d ht h em o d e l ，t h er e l a t i o n b e t w e e ni t ss t m i n ds 妇e s si so b t a i n e d a n ds o m ef 配t o r so nt h ec 咖e c t i o n q u a l i t y o fh o s e 船s 鲫b l ya r ea n a l y z e d ，蚰dt h c q 岫l i t y n t r o ln l l e so fh o s e a s s 锄b l y 蛆dt h ec o r r e s p o n d i n gc 咖ls n m e g y 甜ep u tf b 州a r do nt h eb 龉i so f t h ea b o v e _ 扛l 咖o n c dn 趟e l s s e c o n d l y ，a c c o r m n g t o 也ec o 衄e c t i o nq 州蚪c o m r o ln l l e so f h o s e 勰刚n b l y ， 蛆a u t o m a t i c n t r o ls y s t e mb a do n s i n g l ec h i pi sd e g i 霉璩d i no r d e rt o 坞a l i 稿i t s v i s l l a l m 蛐i 删a t i o n ，、以n d o 、v sp r o g f a 蛐抽gm e 也o di si n 们d u c e dd u r i n gt l l e p g r 咖i n go fs i n g i ec l l i p t h e 坤1 8 t c d 舢m y s i sm e m o d i sa d o p t e di n 糟a lt i m e b o n i t o r i n g ， s ot h es y s 专e mc 龃c 砒c ht h ei n f o 舰a t i o no ft h el o c 娟o no f c h 丑f a c t e r i s t i cr e g i o no f t h ec o n t a c tp a 主f s l v e si n n e rt e 如剐记t h es t e e ll a y e r s ， a n dc o n 仰l 也e h o s e 鹊s e m b l y ss w a g i n gp r o c e s sa u c o m a t i c a l l y t 蚰锄y s w a g i n g 卸db l o 诵甥u pe 举r i n l 髓t sa r ec 枷e do m ；也er e s m l s p r o v e dt h em o d e l sc o n - e c 协e s s 眦dt h ec o n t r o lm e t h o d sv a l i d i t y a l n o n gt h e a b o v e 、帕f kd et h e a r et h ef o l l o w i n 窑n e wi d e a s a i nd e s i g n i n gm e o 吼m eq u a l i t yc o n 咖ln l l e so fh o s e a 8 s e m b i yi sp u t f b 州8 r d ，蛐d 耐f i do f t l l e l i m i 协t i o no f t h et r a m t i o 脚w a yt h a t t l l e 趴a | g i n g q u a n m m b ed e t e 衄i i l e db y o n l ye x p e r i m e n t s b t h em e c h a 珂c sm o d e l o f h o 辩懿s e 斑b l y i ses t j 巨b l i s 五砸f o r 也e 蠡嗽t i l n e c 髓em e t h o do fd e s i 驴i n gt h ec o n c 白d r t h o u g h tc h 觚g i n gt l l ed i s t 蛐c e b e t w e e ni t sc o 嘣g t l o u st e 劬i sp u tf o “忸r d ，a n dt h es t m c t u r ei ss i m u l a t c dw i m 也e f - m i t ee l e m e l l tm e t h o d t h i ss t u d yh a st l l ea b o v eb 坞m 【( h r o u g h si nt h e o f i e s w h i c hc a np r o v i d e sa 小e o r e t i cf o 蚴d 8 t i o nf o r g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a tt h es 蛳et i m e ，髓a u t 叩l a 廿c c o n t r o ls y s t c mo ft h cs w a g e ri s d e s i g n e d a n dt h e3 、a g i n ge 仃i c i e n c y 锄dt h e c o 胁e c t i o nq u a l 埘雠i m l o v e dg r e a t l y s oi tm u s th a v ep m c t i c a le n g i e r i n g v a l l l e k e y w o r d s ：h o 辩站s e m b l y ，s w a g e r ，m e c h a n i c sm o d e l ，f i n i t ee l e m e n tm e 伽o d ， c o l l 仃d lb 黔e do n s i n g l ec l l i p 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，钢丝增强高压胶管应用越来越广泛，高压 胶管质量得到大幅度的提高，丽高压胶管总成的连接问题变得日益突出， 为进一步提高胶管总成的连接质量。很有必要加强总成连接的理论研究， 为改进总成生产工艺提供理论依据。 1 1 高压胶管应用现状 随着液压技术、气动技术的迅猛发展。以高压胶管【lj 为代表的各种短 管已普及到飞机、汽车、工程机械、特种产业车辆【2 j 、液压机床、船舶pj 、 塑料加工机械、机器人等各个领域。高压胶管在美日等国现己占到全部胶 管产量的6 0 7 0 【4 1 ，成为世界胶管工业的支柱产品。目前液压高压胶 管寿命达到1 0 0 万次脉冲1 5 j 已经报平常了。 近年来我国对软管的霈求日益提高。据不完全统计，截止1 9 9 8 年年底， 我国胶管行业县市级以上的生产厂有1 4 8 家( 其中l 0 0 0 人以上的厂家有 1 6 家，5 0 0 1 0 0 0 人的厂家有3 2 家，5 0 0 人以下的厂家有l o o 家) ，另外还 有一批乡镇软管企业，在3 0 0 家左右【6 l 。如果将乡镇企业的软管产量计算 在内，年生产能力超过1 8 亿标米。例如沈阳第四橡胶厂1 9 9 7 年钢丝编织 软管的产量就达到了3 9 0 万标米。上述软管生产厂每年生产软管的总产爨 超过6 0 0 0 万标米，其中，6 6 为钢丝增强的高压胶管j 。 高压胶管的大量应用，使得胶管总成的连接质量研究日益迫切f 8 】。 1 2 高压胶管总成的结构特点简介 高压胶管总成是液压工程机械的主要配套元件，其应用之广泛、品种 之繁多，使得总成的结构既有普遍性又具特殊性。本文主要研究应用极其 广泛的锯齿型钢丝增强胶管总成。 1 2 1 高压胶管的结构形式 中自大学颂十学位论文 第一章绪论 高压胶管的结构p 】如图1 - l 和图1 2 ，包括内胶层、增强层和外胶层3 个主要部分，这三部分对胶管的使用性能和寿命都有重要影响，它们保证 了高压胶管的强度、密封性和稳定性。内胶层处于胶管最里层，保证了高 压胶管的密封性，并保护承载增强层( 钢丝) 免受工作液体的浸浊。增强层 由镀铜钢丝编织( 或缠绕) 构成，位于内、外胶层之间，保证高压胶管的强 度稳定性：外胶层保护高压胶管不受外部因素影响，胶管的强度由钢丝编 织层( 或缠绕层) 的数量、销丝的特性和橡胶层与钢丝层的连接强度来确定。 图卜1 编织式高压胶管的结构形式 图卜2 缠绕式高压胶管的结构形式 1 2 2 高压胶管总成的结构形式 高压胶管组合件是工程机械的主要配套元件，其应用之广泛、品种之 繁多，使得胶管组合件既有普遍性又具特殊性。各种连接形式的胶管组合 件都是由芯子、外套及胶管组成。高压胶管组合件采用了不可拆卸的剧定 管接头连结，其联接方式有扣压式和装配式两种【10 1 。 扣压式就是将胶管和接头装好后，将其外套放置在专用设备上扣压， 径向收缩，使接头和胶管结合在一起。这种工艺效率高、稳定、废品率低、 接头体积小，适合大批量生产j 。 装配式是将胶管和接头在普通车床上或虎钳上拧紧就可以了，但工艺 稳定性差，般不采用。根据与机体( 泵、阀、油缸等) 连接形式和规格的 不同，构成具有不同形式和规格的胶管组合件。 中南大学颂士学位论文 第一章绪论 奁趱蛰廖嘲 12l2 坷哑二二墙訇 手压式连接 装配式连接 1 芯管2 外套 图卜3 胶管接头的两种连接方式 1 胶管；2 套筒；3 ，芯子；4 螺母 图卜4液压高压肢管总成结构形式 扣压式胶管组合件是不可拆卸的固定管接头结构，这种结构能在橡胶 层和接头问形成很大的夹紧力，接头的密封是由胶管的内胶层借助于外套 和芯子使内胶层变形来完成的，连接强度是利用直接加压外套使胶管得到 定的压缩量，从而紧固编织层( 或缠绕层) 的钢丝来保证的。扣压式结构 具有良好的耐拔脱和密封性能。芯子由两部分组成，一是与中间接头或机 体相连的接头部分，二是与胶管相连的芯杆部分。芯子的材料采用调质4 5 钢，芯杆圆周上有光滑凸凹锯齿，形成密封介质的迷宫式曲径。通过挤压 外套使其变形来达到固结芯子和胶管的目的。因为扣压时外套要发生变形， 所以外套材料不需要很高的强度和硬度，故外套材料采用i5 钢f 1 2 ，。外套 内孔是具有强力抓着力的锯齿形结构，锯齿高1 2 1 5 m m 齿数3 4 个，齿 宽1 1 5 m m 。内齿与钢丝紧密抓着，形成很高抗拔力，并能使力传至内胶 层和芯子上。 胶管组合件要求：在系统额定压力下工作时，保证可靠的密封，不 发生泄漏；能耐受管路系统的振动、冲击：具有紧凑安装尺寸，结构 简肇； 装配、使用方便； 易于加工制造、工艺性好。 中南大学颁士学位论文 第一章绪论 1 3 胶管总成生产设备发展概况 7 0 年代我国机械工业实用液压技术向高压、超高压方向发展，液压设 备附件耐压性能也随之提高。胶管总成扣压设备最早是由油压机改装而成。 设备体积庞大，胶管变形不均匀，存在飞边，外形极不美观。8 0 年代初国 外出现专用扣压设备“。专用设备具有体积小，扣压力大等优点。由于采 用了楔形增压原理l i “，使得成型力大为提高。模具受力状态如图1 5 。图 中，f 为油缸推力，q 为径向扣压力，口是压锥角。f 与q 的关系为g = 舾， 女为力放大系数。放大系数七随压锥角变化，如图1 8 。由图可知，压锥角 越小，扣压力越大。运用此原理，出现了两种实现方式：模具沿锥面方 向移动，如图1 7 ；模具沿径向方向移动，如图1 8 。实际设计中要考虑两 个因数：o 轴向油缸行程；摩擦角。从结构上讲，放大系数同样作用于 模具径向收缩量，一定的收缩量对应于】j 倍油缸轴向行程。过大加长轴向 变化量不可能，特别是压力变形阶段的行程不可能太长。从扣压工作过程 分析，若压锥角过小，压锥套与模具易发生自锁，模具回程困难，应避免 这种情况。实际工程设备采用的压锥角一般为1 5 。1 7 。专用扣压设备从 最初四瓣模发展到现在八瓣模结构，设备类型多样化，形成小型、中型、 重型系列，能扣压各种形式、口径和各种钢丝层数的弯头、法兰、超高压、 大口径的胶管总成。我国从9 0 年代末生产扣压设备厂家增多，国产设备现 已基本代替进口设备，发展极为迅速。 2 5 f 2 f 1 6 _ 离二l 图l 一5 扣压模受力简图图卜6 推力放大系数 4 _ 一 、 蛐 。 蔽瞩k 描 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 模具沿锥面方向移动图l 8 模具沿径向方向移动 目前还没有文献论述胶管总成设备的发展趋势，从已收集的各厂家生 产的扣压机资料看，总成扣压设备朝三个方向发展：o 在设备体积上朝小 型化方向发展，其典型代表为便携式手动扣压机( 图1 9 ) ，适宜于户外维 修。； 在加工能力上朝大吨位方向发展，其典型代表为j k 6 0 0 型扣压机( 图 1 1 0 ) ，扣压力可达6 0 0 吨，最大加工管径为6 “，适合于船坞及油田设备的 大管径总成生产； 在控制方式上朝自动化方向发展。随着工程对胶管总 成要求的提高，人们对扣压机也提出了更高的要求。当前工程机械的先进 技术大部分集中在操纵与控制上。要解决控制问题，必须引入具有良好控 制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术。电子控制和信息处理技 术已成为现代工程机械不可缺少的部分，在日本甚至提出没有电予控制的 产品不能称为新产品。因此电子化、自动化是工程机械产品更新换代的发 展方向，胶管总成生产设备必将朝着自动化方向不断发展。 图l 一9 便携式手动扣压机 图1 1oj x 5o o 型扣压机 ll s s 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 胶管总成连接质量的理论研究现状 高压胶管总成在使用中接头与胶管连接处漏油、接头连接密封部位渗 漏、接头拔脱、扣压鼓包、内胶层裂口等问题的发生，有的是属于胶管本 身的质量问题，有的是胶料本身的力学性能问题，有的是金属接头结构设 计中存在问题，也有的是接头加工质量问题，当然使用条件不合理f 如安装 时胶管弯曲半径过小或有扭曲现象或使用介质不对) 也会造成高压胶管总 成的意外损坏或达不到预期的使用寿命。 近年来，人们对高压胶管总成的连接质量作了一定的探讨，分析了影 响总成密封性能的因数。其中，l o u g h 【”】和美国的a k a s a k a i ”j 分析了金属 接头对总成密封性能的影响。外套内表面锯齿的深度、沟槽的间距等都对 胶管扣压接头密封性能有着直接的影响。扣压后锯齿直接和胶管的钢丝层 接触，在扣压径向压力的作用下，致使胶管的壁厚在外套和芯杆之间被压 缩，钢丝层和内胶层被压成波浪形进入外套的锯齿形稽内，凶而使胶管接 头获得了较大的抗拔脱强力。锯齿深度应选择在适宜的范围内，否则会影 响高压胶管总成的密封性能和抗拔脱强力。若胶管规格较小，采用单层或 双层钢丝编织且胶管壁厚较薄，内胶层延伸率较小，胶料的力学性能较好 时，套筒沟槽的深度可浅些，锯齿数亦可少些，一般以3 4 个锯齿为宜。 外套的长度应比芯杆扣压部分的长度短4 6 m m ，以防止内胶层鼓包和堆 胶，最终影响高压胶管总成的密封性能。芯杆是金属接头与胶管之间起着 连接和密封作用的主要元件。其表面形状多种多样，如锯齿形、沟槽形、 波浪形、圆弧形等，根据使用压力和工作条件、胶管的本身结构和内层胶 的力学性能来加以选择和确定的。大多数产品均采用了这三种型式的芯杆。 这三种结构型式的芯杆，各有不i 刊点。使用圆弧型和三道槽型芯杆的胶管 扣压后，胶管轴向延伸量较大，接头尾部处内胶明显增厚，堆胶严重，并 伴随有鼓包现象发生。特别是在内胶硬度稍有波动的情况下或是胶管密着 力稍有下降时，此现象会更为严重。其优点是内胶层不易出现裂口，并能 承受较大的压缩量。内层胶不易裂口，故选择圆弧型芯杆较好。锯齿型芯 杆适用范围广，压缩量范围宽，机加工容易，装配工艺简便，抗拔脱强力 高，内层胶亦很少发生堆胶和鼓包，扣压时胶管轴向延伸量较小。这是因 为锯齿型芯杆的表面迂回面积大，内层胶受到挤压时胶料流入锯齿形槽内， 橡胶的延伸受到齿壁和槽壁的限制，凼而使延伸受到阻碍，橡胶相对地由 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 三向变形过渡到体积压缩，使其压缩模量急剧提高，从而在芯杆与内胶层 之间的界面形成紧密的密封区域，有效地阻止了介质的通过，故其具有较 高的抗拔脱强力和较好的密封性能。但它唯一缺点是，锯齿齿锋尖锐，易 使内胶产生裂口，而圆弧型、指型芯杆由于缓慢过渡可消除这一弱点】。 马艳丽【18 等人分析了芯杆和外套匹配程度对总成密封性能的影响。芯 杆与外套的几何尺寸必须相互匹配，否则内胶层易被压裂，钢丝层易被压 断。扣压后芯杆的齿或棱必须落在外套的沟槽内，形成一密封整体。用碳 素优质钢加工的外套，一般选15 2 0 钢，芯杆一般为4 5 钢。在扣压时，外 套的延伸变形较芯杆要大一些。按4 0 扣压量计算，钢丝编织胶管的外套 延伸2 2 5 m m ，而芯秆几乎无延伸。如果外套延伸后，其齿与芯杆的齿刚 好相对，必然会导致产生内胶层压裂、钢丝层压断现象。因此芯杆和外套 的尺寸必须互相匹配。芯杆长度长于外套的具体尺寸亦必须依据高压胶管 的结构、扣压量的大小等确定。 凌学俭【l9 1 曾做过大量的接头扣压试验，通过解剖观察得出，力学性 能好的高压胶管，扣压后内胶层延伸变形很小，表面光滑，压缩变形量小， 即使扣压量加大至6 0 ，亦没有裂口现象发生。力学性能不好的胶料，选 择任何形式的接头和最理想的加工方法亦很难获得最佳的密封效果。高压 胶管接头扣压后短时间内密封性能很好，而经过一段时间的使用或存放， 可能会发生密封性能下降而出现漏油的现象，这是由于橡胶本身的应力松 弛和蠕变性能所造成的。橡胶是高粘弹性的高分子聚合物。在扣压外力作 用下，橡胶发生了很大的压缩变形，但其各部位所受的力是不均衡的。由 于力的分布卅i 均而产生很大的内应力。内应力随时间的增加而加速松弛， 且是无法制止的。因此必须重视提高胶料的应力松弛性能，提高胶料的耐 热老化性能和恒定压缩永久变形，也是使高压胶管总成保持良好的密封性 能所必须的。 韩锦芝【2 0 j 提出了正确掌握胶管接头装配各工序的操作技能是保证高 压胶管总成密封性能的重要环节。为了避免内层胶在扣压时沿轴线方向流 动过大而导致的密封应力减小，装配外套时胶管端部插入外套内距根部的 “空位”不能超过2 3 m m ，否则内层胶向“空位”流动将导致高压胶管总 成的密封应力下降。 扣压量的大小直接影响着胶管与接头之间的密封性能、抗拔脱强力和 使用寿命。陈平安1 认为，扣压量选择的依据，应根据胶管的结构特点、 中商大学颁士学位论文 第一章绪论 管壁的厚薄、内层胶的力学性能和接头的结构型式等多种因素综合考虑。 例如同是采用锯齿型结构的接头、内层胶的硬度均为7 5 度左右的钢丝编织 胶管和钢丝缠绕胶管，其扣压量的选择就因胶管的结构不同、钢丝直径不 同、骨架层厚度及管壁厚度的不同而不尽相同。单层钢丝编织胶管的扣压 量一般为3 5 4 0 ，双层钢丝编织胶管的扣压量一般在4 0 4 5 ，钢丝 缠绕胶管的扣压量一般为5 5 6 0 。如果是棉帘线或其他化纤材料为骨架 层的编织胶管，扣压量范围为3 0 3 5 。如果内胶层的硬度较低，只有 4 0 6 6 ( 邵尔a ) 度且内胶层又厚的钢丝编织胶管，其扣压量必须降低至 2 0 3 0 ，但这根本不能保证接头有足够的密封应力。若将扣压量提高到 3 5 一4 0 ，则接头根部又会出现大量的堆胶和鼓包现象。所以必须改变胶 管接头结构型式，增加芯杆密封段的长度，来满足高压胶管总成的密封性 能要求。如果内层胶硬度为8 0 ( 邵尔a ) 度左右的钢丝编织胶管，其扣压量 可提高到4 5 5 5 。 综合上述可知，评判胶管总成连接质量的指标有两个：总成的密封性 能；总成的抗拉拔强度。目前国内外的杂志或期刊上还没有文献报道到过 有关胶管总成压缩量的模型研究，对胶管总成连接质量的理论还停留在定 性研究阶段。 1 5 研究方法的确定 选择一个合适胶管总成的研究方法，是一个较为复杂的问题，它包括 以下五个方面的内容：外套如何研究；钢丝橡胶复合层如何研究；内胶层 如何研究；芯杆如何研究；如何确定四者之间的关系。 1 5 ，1 现有的研究方法简介 i 解析法 从壳体理论出发，使用方程真接推导出解析解，从而求解胶管总成在 外载荷作用下的应力分布，但考虑到胶管总成的材料非线性、大变形，求 解复杂，准确性欠佳。 2 工程近似法 以材料力学为基础，对胶管总成进行一定的简化，将外套视为厚壁圆 篱，将钢丝层视为橡胶，把内胶的受力看作受均压，推导比较简单的设计 中南大学颀士学位论文 第一章绪论 和计算公式。这种方法与实际偏差较大。 3 数值分析方法 数值分析方法有很多种，如有限差分法、有限元法、边界元法、加权 余量法等。以计算机为基本手段的有限元法能够解决复杂的边界条件、非 线性问题。在对胶管总成的复杂受力状况的应力和应变分析中，是一种很 好的理论方法和手段。目前国际上面向工程应用的有限元通用程序多达几 百种，其中主要有；a n s y s 、d y n a 3 d 、n a s t r a n 、s a p 、a s k a 、a d i n a 等。 考虑到胶管总成的复杂性，本文采用有限元法对胶管总成进行分析。 1 5 2 州s y s 软件简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分 析软件1 2 引，能对多领域工程闯题求解。a n s y s 使用了基于m o t i f 标准韵易 于理解的图形用户界面( g u i ) ，用户可通过g u i 方便地交互访问程序的各 种功能、命令、用户手册，并可一步一步地完成整个分析，因而a n s y s 易于使用。本文选用a n s y s 作分析工具。 1 6 课题的来源、任务和意义 1 6 1 课照的来源 胶管总成实际生产中，存在着两个问题。一是扣压前的准备过程时间 过长。用户在第一次扣管过程中，需要多次试压，调节行程开关位置，直 到扣压后外套的直径满足要求为止。如果某一时间段肉需要扣压多种类型 的胶管总成，则要多次熏复这一过程，大大降低了生产效率 二是扣压质 量难以保证。由于缺乏胶管总成压缩量理论研究，当胶管总成与标准总成 不一致时，不能给出一个明确的调整量。在批量生产中，由于外套外径及 外套和胶管之间的间隙变化较大，造成扣压力散度大，使扣压出的产品一 致性差。同时，根据目前的文献来看，还没有人进行过扣压量的理论研究， 胶管总成质量控制在理论上还没有模型描述。鉴于生产中存在的闽题和理 论研究的需要，故提出了“高压胶管总成力学模型及其扣压过程控制系统 研究”这一现实课题。 9 中南大学领士学位论文 第一章绪论 1 6 2 课题的任务 由上节可知，影响接头总成性能的结构与工艺因素很多，寻找最优扣 压量，必需根据密封原理，确定各 ：艺因数对总成性能的影响，在此基础 上设计控制系统。因此，本课题必须完成以下任务： 一、胶管总成力学模型的研究 运用复合材料力学、弹性力学和塑性力学和有限元理论，建立总成 力学模型。 二、总成连接质量的影响因素的分析 1 变形量与胶管总成连接质量的关系； 2 变形的形态与胶管总成连接质量的关系； 3 胶管总成结构对总成连接质量的影响； 三、扣压机计算机控制系统的设计。 1 6 3 本课题的研究意义 本课题是为了建立了胶管总成力学模型，并对影响胶管总成连接质量 的因素进行量化研究，形成一套关于胶管总成连接质量的分析理论与控制 方法。同时，在以上的研究基础上，为扣压机的计算机控制系统设计提供 理论依据。 1 0 中南大学颂士学位论文第二章胶管总成力学模型研究 第二章胶管总成力学模型研究 由上一章可知，胶管总成结构复杂，包含外套、钢丝橡胶复合层、内 胶层和芯杆四个部分。其中外套、内胶层和芯杆在a n s y s 中有相应的材 料和处理单元，易于建模。而钢丝橡胶复合层由于材料的特殊性，在 a n s y s 中没有相应的材料和处理单元，不能建立有限元模型。因此，本 章首先要建立钢丝橡胶复合层的材料模型，然后推导在a n s y s 中建立有 限元模型时要用到的刚度矩阵，进而建立胶管总成的有限元模型。 2 1 钢丝橡胶复合层材料模型研究 在a n s y s 中有较多的复合材料处理单元，但是没有处理钢丝橡胶复 合层的单元。本节将根据复合层的结构特性，建立钢丝橡胶复合层的材 料模型，以便利用a n s y s 中的已有单元建模。 不论是编织式胶管还是缠绕胶管，考察钢丝橡胶单层横截面，可以 近似认为钢丝均匀分布中胶层内。凶此有如图2 一l 所示的等效微结构。 掇腔锈丝 图2 1 钢丝橡胶单层等效微结构 把橡胶看作基体，钢丝看作纤维，就可以把钢丝橡胶单层当成纤维复合 材料2 3 】处理。而对于多层钢丝增强胶管的钢丝橡胶复合层，则相应地用 层合复合材料2 4 】处理，如图2 2 。这样就建立了钢丝橡胶复合层的复合 材料模型。 巷腔钢丝 图2 2 钢丝橡胶复合层等效微结构 2 2 钢丝橡胶单屡复合屡力学模型的建立 中南大学磺士学位论文第二章胶管总成力学模型讲究 有了复合层的复合材料模型，就可以运用复合材料力学建立钢丝橡 胶复合层的力学模型。本节旨在推导a n s y s 中所必需的复合层的刚度矩阵。 2 2 1 钢丝橡胶复台层基本工程常数的推导 工程常数是广义的弹性模量、泊松比、剪切模量和层合复合材料性能 常数。 用复合材料细观力学【2 5 1 分析方法可求出钢丝橡胶单层材料方向的纤 维方向的弹性模量五、垂直于纤维方向的表观弹性模量e 、泊松比v 1 ：、 和剪切模量g ，基本工程常数。 1 钢丝橡胶单层纤维方向的弹性模量最的推导 设单层材料在纤维方向的应变( 图2 3 ) 为 毛= 竽仃l = 曩局 ( 2 1 ) o l - l k o l k l 4 叁4 一 图2 3 单层材料纤堆方向的应雯 设钢丝与橡胶都处于弹性状态，则应力 d f = e f 8 t a m = e 。、 式中，盯，为钢丝应力：为橡胶应力；髟为钢丝弹性模量；已为橡胶弹 性模量。 平均应力q 作用在横截面上，叶作用在纤维的横截面4 上，作用 在基体的横截面以上，作用在复合材料单元上的合力是 p = o t a = a ，a f + o 。a 。 则 驴e ，冬+ e l 。每 由此推导出钢丝橡胶单层纤维方向的弹性模量： 墨= q 0 + 圪 ( 2 - 2 ) 中南大学颂士学位论文第二章胶管总成力学模型研究 由上式可看出，钢丝橡胶单层纤维方向的弹性模量是钢丝在单层中所占 百分比的函数。 2 钢丝橡胶单层表观弹性模量e 的推导 设纤维和基体承受着同一个横向应力民( 图2 4 ) ，则纤维和基体的应 变是 旷蛩2 琶 i e f 。 e 。 图2 4 单层材料横向压变 ，作用的横向尺寸近似平均值为矿，作用的为形。则可推导出钢丝 橡胶单层表观弹性模量： & = 者 弘s ， 。v 。e f + v f e m ? 钢丝橡胶单层表观弹性模量也是钢丝在单层中所占百分比的函数。 3 钢丝橡胶单层泊松比的推导 用类似的方法可推导出钢丝橡胶单层材料的泊松比： v 1 2 = + v ， ( 2 _ 4 ) 4 钢丝橡胶单层剪切模量的推导 钢丝橡胶单层剪切模量g 1 ：是由假定纤维和基体中的剪应力相等来 确定。由基本假设得 m 。瓦y ，。瓦 总的剪切变形为 = y 。= 矽 ，2 巧阿y ， 由于= 。+ ，最后可导出钢丝橡胶单层材料的剪切模量 铲孝 p s ， q 2 2 啄丽 。 t i 主塑查兰堡圭堂篁丝塞 璺三兰丝笪璺壁塑兰塑! ! ! 堕 巨，岛，。，g i ：这4 个独立的弹性常数求出以后，可以推导出其他性能 常数。 在平面应力状态下，钢丝橡胶单层在材料主方向上表现为正交各向 异性，可按正交各向异性简单层板【2 6 1 应力应变关系处理，其应力一应变关 雠刘 弘s ， 式中q ，为刚度矩阵，用工程常数1 9 表示为 q l - 5 而蠢 驴蔫。蔫 q 2 22 若麓 其中v 2 1 可由互等关系式v l ：巨= v ：，佃：确定。方程( 2 6 ) 中有4 个独立的弹 性常数e l ，e 2 ，v ：，g i ：。 2 2 ，3 钢丝橡胶单层材料的应力应变分析 钢丝橡胶单层材料的主方向和几何上解题要求的坐标轴方向不致 ( 图2 5 ) 。对于胶管总成中的钢丝橡胶 层，需要的坐标是壳坐标系x ，y ，z ，而材 料主方向坐标是x ，y ，z ，缠绕角由 c o s ( y 7 ，y ) = c o s 臼决定，z = 2 。这样，需要一 个材料坐标系的应力、应变和结构坐标系的图2 5 坐标示意图 应力、应变之间的关系式。在初等材料力学中，用i 一2 坐标系中的应力 柬表示x y 坐标系中的应力，根据图2 5 可推导出转换方程： 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章胶管总成力学模型讲究 刚量曼口耋纛 同样，可以推导出应变的转换方程 c o s 2 p s i n 2 目 一2 s m 口c o s 口l i s i r l 2 移c o s 2 口 2 s i n 移c o s 臼l is i n 9 c o s 口一s i n 口c o s 日 c o s 29 一s m 2 口i 该转换关系简写成 其中 隆 r c o s 2 口s i n 2 口 2 s i n 口c o s 目 l 【f 】= l s i n 2 秽e o s 2 臼 - 2 s i n 乳o s 口i 1 一s i n 口c o s 臼 s i n 目c o s 目c o s 2 口一s i n 2 臼i 弓l 入r e u t e r 矩阵1 9 1 则可运用简明的矩阵符号进行转换 记 【r 】- 1 【q 】【r 】【r h 蚕 = 【r r 【q 】【只】【? r 】- 1 = p r l 【q 】【r 】4 可推出x y 坐标系中应力一应变关系式为 睁司川霎耋 1 5 剿 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) _，i-_-】 q iii儿 q龟一2 鼻0岛一2 10j q岛一2 1，j q 吒 p。l l l 1，、j 以巩锄 。l 1，j 0 o 2 0 1 o 1 o o p。，l l i 1 _ j r r-【 1，0，j q p。l = 1、j 吼吒铴 p，。l 1 _ jp l l 1，j 以办如 p。l 中南大学硕士学位论文 第二章胶管总成力学模型研究 式中 口l i = 蜴ic o s 4 口+ 2 ( a 2 + 2 1 如) s i n 2 口c o s 2 口+ q 2 s i n 4 口 q 1 2 = ( 蜴l + q 2 2 4 a ) s 血2 口c o s 2 口+ q 1 2 ( s i n 4 口+ c o s 4 口) 9 2 = q l ls m 4 一十2 ( q 1 2 + 2 q 陆) s m 2 口c o s 2 口+ q 2c o s 4 口 q 1 6 = ( qj q 2 2 q 珥) s i n 口c o 矿口+ ( q j 2 一q 拴+ 2 如) s i n 拶c o s 伊 q 2 6 = ( q i i q 1 2 2 1 如) s i l l 3 口c o s 口+ ( q 1 2 一q 2 2 + 2 q * ) s m 拶c o s 3 日 ( = ( q l + q 2 2 2q 1 2 2 1 2 5 6 ) s m 2 口c o s 2 p + j 跣( s m 4 口+ c o s 4 印 至此，得到了钢丝橡胶单层复合层的刚度矩阵 百 。从式( 2 9 ) 可以看出， 该刚度矩阵只与4 个独立的弹性常数骂，易，v 2 。，g 】：以及钢丝缠绕或编 织角毋有关。多层钢丝，橡胶复合层则度矩阵可在单层的基础上，应用层合 壳理论【2 7 l 【2 8 1 推导。 2 3 钢丝橡胶多层复合层力学模型的建立 钢丝橡胶多层复合层是由两层或多层的钢丝橡胶单层复合层粘合 在一起作为一个整体的结构元件，因此是一种层合壳结构。用本节的推导 方法，可从组分单层的性能得到钢丝橡胶多层复合层结构的刚度矩阵。 2 3 1 备向异性屡台圆柱壳的r e i s s n e r 型修正理论简介 各向异性层合圆柱壳的r e i s s n e r 型修正理论1 6 1 认为，壳体中面的法线 在变形后仍保持为直线，但它不再垂直与变形后的壳体壳体中面，而是从 它的垂直位置存在一个受横向剪应变限定的角变形，实质上就是考虑了横 向剪切变形沿壳体壁厚的平均效应。 2 3 2 钢丝橡胶多屡复合廛应变与应力分析 对于确定层合壳的拉伸和弯曲刚度，沿层合壳厚度的应力和应变变化 知识是很重要的。假定单层边界两边是连续的，层间不能滑移，则钢丝 橡胶多层复合层相当于一块具有非常特殊性能的钢丝橡胶单层复合层。 由r e i s s n e r 型修正理论，可得层合壳厚度上任一点z 的位移： 1 5 中南大学烦十学位论文 第二章胶管总成力学模型研究 即 应变由位移确定： 中面应变为 中面曲率为 = “。+ z 掣 傩 d 甜 q 2 瓦 叫w r 2 面+ i 加觎 “y a ) c 孰 y 。r 0 y y o 可 以 ，。 ， ，o n 缸 七。 t ， c 睇 洲 堕。监 砂 苏 8 2 w a a 2 w 加2 8 2 w a x 却 ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 将沿厚度变化的应变方程( 2 1 1 ) 代入应力一应变关系式( 2 9 ) ，第k 层应 力可以用层合壳中面的应变和曲率表示如下： 吒磊。画：磊。 2 匮塞虱卧z 刚 ( 2 - 1 3 ) 中南大学硕上学位论文 第一章胶管总成力学模型研究 2 3 3 钢丝橡胶多层复合层刚度矩阵的推导 作用于层合壳上的合力和合力矩( 图2 6 ) 是由沿着层合壳厚度积分各 单层上的应力而得到，n x 是层合壳横截面单位长度上的力，m x 是单位长 度上的力矩： 鸣喜存i1 蛾 i 刁_ 1 彬眷护 与芦丽一融y歹步y 嘶 融 甏1 = 堡 妻 。出= 砉l f 妻 。出 c 2 一t 。， f 鬟 = 皂誊l 础= 喜l | 季 。血 c ：- ，s ， 麓1 = 喜 薹i 耄霎 。 l 妻 出+ 隆 如 c s ， 萋 = 善 霎耋妻 。 l | 妻 出+ 曼卜出 c z 一 式中，0 ，不是z 的函数而足中面值，可以从求和记号中移出，从 麓 = 至i 鸯差 妻1 + 曼塞毳 三 c s ， 瓮 ：盖：乏爱1 1 + 乏乏爱 意 。：m ， l 岛jl 马e 岛e 吃a j l y 。j ld l 。d 2 e k j l x o ，j 中南大学硕士学位论文 第二章胶管总成力学模型研究 4 ，= ( 磊) ( 乙一z 。) 易= ( 磊) ( z 2 。一z 2 。) 见：；兰( 磊) ( z 3 。一z 3 。) 至此，得出了钢丝橡胶多层复合层的刚度矩阵。从上式可以看出，多层 复合层的刚度矩阵与单层复合层的厚度以及单层复合层的刚度矩阵密切 相关。 2 4 钢丝橡胶复合层屈服条件的分析 各向异性材料的屈服条件【2 9 1 为： f ( 盯，p ) = ，( 盯) 一日( p ) = o ( 2 2 0 ) 式中屈服水平值h 由选定某一参考方向的拉伸实验确定，它是塑性应交p 的函数，h 反映了屈服与强化和加载历史之间的关系。根据t s a i _ h i l l 理 论【30 1 ，即将m i s s 的屈服条件推广到钢丝橡胶复合层材料，选用等效应力 盯为屈服应力，其表达式为： 盯= q 仃2 i + 2 2 d j c k + c 吐盯2 2 十a 3 f 2 ，2 + a 4 r 2 1 3 + 口5 f 2 2 3 ( 2 2 1 ) 式中，仉为材料的塑性各向异性参数： 改写为二次型形式： 口l2 盯2 仃2 1 口2 = 盯2 c m a x 叮2 2 吒2 仃2 c m “，r 2 1 2 吼= 仃2 。吒 2 仃2 c f 2 2 3 q 2 = 2 ( 盯2 l ( 4 5 2 ) 2 一 1 + 髓2 + ) 2 ；= 【盯】，卫。【4 】【仃】。 式中，1 为对应的二次型矩阵。由于钢丝橡胶复合层的材料主轴与参考 坐标轴x ，y 不重合，须转换为： 孑= 【盯f 。，= j 【l 。： j = 丁【】， 1 9 中南大学硕士学位论文 第二章胶管总成力学模型研究 式中，p 】1 2 ，一r p 】。，：，t 为应力变换矩阵， _ = r f 4 】丁 有了屈服条件和刚度矩阵，就可以在a n s y s 中建立钢丝橡胶层的有 限元模型。 2 5 胶管总成有限元模型在a n s y s 中的建立 a n s y s 分析的过程包括三个主要步骤【2 2 l ：创建有限元模型：施加载荷 及求解；查看结果。本节主要任务是创建实体模型、定义单元属性、划分 网格、加载边界条件和载荷，完成胶管总成的有限元建模。 2 5 1 胶管总成各组分的单元的选择 在a n s y s 中适合于复合材料层合壳的单元类型主要有s h e l l 9 l 和 s h e l l 9 9 ，根据己建立的钢丝橡胶复合层力学模型，本文选用s 眦l l 9 9 单 元。当s h e l l 9 9 单元属性中的k e y o p t ( 2 ) = 2 时，就可以输入钢丝橡胶 复台层的刚度矩阵。 外套和芯杆采用s o l i d 4 5 单元。内胶层采用