（机械工程专业论文）三柱塞泵曲轴的应用场分析及优化.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 固井泵，是海洋钻孔的的关键设备。其主要作用是向钻孔的的孔壁上打上高 压水泥浆，这样隔绝海水进入所钻的钻孔内。其设备的强度关系着打压水泥的压 力，也就关系着钻孔的的深度。其打压水泥压力越高，钻孔深度越深。这样对于 深海钻探、勘察及石油开采都有极大的意义。 三柱塞固井泵，是固井泵的一种。我国某厂家生产三柱塞固井泵，在生产 现场使用时效果不理想，打压水泥压力为5 0 m p a ，而国外制作的同种型号的柱 塞泵打压水泥压力为1 5 0 m p a 。经测绘分析，材料、形状尺寸基本相同。而性能 长相差如此之大。电机功率在远在负荷之内，这样排除了电机问题。问题出在三 柱塞泵的本身。 本论文就是从校核关键部位一轴部零件的强度入手( 凸轮轴，齿轮等等) ， 利用先进工具a n s y s 软件，求出轴部零件的受力场，校核轴部零件的强度载荷， 验证固井泵轴部零件强度。找出薄弱的环节，并提出设计改进方案。为设计制造 固井泵提供理论依据。 课题通过分析泥浆压力低的原因，校核轴部零件机械强度。为三柱塞固井 泵的制造提供理论数据作为参考! 关键字轴；受力场；机械强度；设计；校核 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec e m e n t i n gp u m pi st h ee s s e n t i a le q m p m e n tf o rd r i l l i n gh o l ei nt h es e a i t s m a i nf u n c t i o ni sg e t st h eh i 曲- p r e s s u r e dc e m e mm o r t a rt o t h ed r i l lh o l eo nt h e o p e n i n gw a l l ，i no r d e rt o i s o l a t e st h es e aw a t e re n t e r i n gt h ed r i l l e dh o l e t h e e q u i p m e n t s1s t r e n g t hr e l a t e s h i t t i n gp r e s s eo f c e m e n ts l u r r y ，a l s oi ti sr e l a t i st h e d r i l l i n gh o l ed e p t h t h ec e m e n tp r e s s u r et ob eh i g h e r , t h ed r i l l h o l e sd e p t ht ob e d e e p e r s o a si th a st h ee n o r m o u ss i g n i f i c a n c ef o rt h ed e e pd r i l l i n ga n d r e c o n n a i s s a n c ea n do i le x p l o i t a t i o n t h et h r e ep l u n g e rc e m e n t i n gp u m pi so n eo f ac e m e n t i n gp u m p t h r e e p l u n g e rc e m e n t i n gp u m pp l a n t e di nc h i n a se n g i n et om a n u f a c t u r e ，i t su s i n ge f f e c ti s n o ti d e aa tt h ep r o d u c t i o ns i t e l i t ss u p p r e s st h ec e m e n tp r e s s u r ei s5 0 m p a , b u tt h e f o r e i g np r o d u c t i o n sw i t h s a m e t y p ep l u n g e rp u m pp r e s s u r e c e m e n tp r e s s u r e 15 0 m p a w h i l et h ep e o p l ef o u n dt h a tt h e yh a v et h es a m em a t e r i a l ss h a p ea n d s i z eo f b a s i c a l l y m o t o rp o w e r t om e e tp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s t h ep r o b l e mi si nt h et h r e e p l u n g e rp u m p i t s e l f t h ep r e s e n tp a p e ri sf r o mt h ee x a m i n a t i o ne s s e n t i a ls p o t - a x i sd e p a r t m e n t c o m p o n e n t si n t e n s i t yo b t a i n i n g ( c a ms h a f t ，g e a ra n d s oo n ) u s i n gt h ea d v a n c e dt o o l a n s y ss o f t w a r e ，e x t r a c t st h ea x i sd e p a r t m e n tc o m p o n e n t st or e c e i v et h ef i e l do f f o r c e ，c h e c k i n gt h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho f c o r es h a f t d i s c o v e r st h ew e a kl i n k a n d p r o p o s e st h ed e s i g ni m p r o v e m e n tp r o g r a m i no r d e rt od e s i g nm a k e st h es o l i dw e l l p u m p t op r o v i d et h et h e o r yb a s i s t o p i ct h r o u g ha n a l y s i s r e a s o n o ft h em u dp m s s u r el o w ，c h e c k i n gt h e m e c h a n i c a ls t r e n g t ho fc o r es h a f t p r o v i d e st h eg r o s sd a t af o rt h r e ep l u n g e rs o l i d w e l lp u m pm a n u f a c t u r et ot a k et h er e f e r e n c e ! k e yw o r d sa x i s ；f i e l do ff o r c e ；m e c h a n i c a ls t r e n g t h ；d e s i g n ；e x a m i n a t i o n 1 1 i 山东大学硕士学位论文 i v 山东大学硕士学位论文 c a l 。a l u ( j a b s t r a c t i a b s t r a c t i l l c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c ha n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2t h es u b j e c to f r e s e a r c ha n ds i g n i f i c a n c e 3 1 3t h r e ep l u n g e rp u m pw o r k i n gp r i n c i p l e 6 1 4p r e s e n ts i t u a t i o no f r e s e a r c hd e v e l o p m e n ti nc h i n aa n da b r o a d 8 1 4 1t h em a i na c h i e v e m e n t sh a v ea c c e s s e di nt h ec e m e n t i n gc e m e n t 8 1 4 2m e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gh a v eb e e nd e v e l o p m e n t e df o r c e m e n t i n gp u m p 8 1 5t h ed e f i n i t i o na n d d e v e l o p m e n ta b o u to p t i m i z a t i o nd e s i g n 9 1 6f u n c t i o ni n t r o d u c t i o no fa n s y s 10 1 6 1 t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d 1 2 1 6 2m o d e m d e s i g nm e t h o d 1 2 1 6 3a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o no f f i n i t ee l e m e n tt h e o r y 1 2 1 6 4t h ea n a l y s i ss t e po ff i n i t ee l e m e n t 15 1 7t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so fp a p e r 16 c h a p t e r 2t h r e e p i s t o nc r a n k s h a f tp a r ts t r u c t u r e 1 7 2 1t h ed e v e l o p m e n ta n dm a t e r i a l so ft h ec r a n k s h a f t 17 2 1 1c r a n k s h a f tp r o c e s s i n gd e v e l o p m e n t 1 7 2 1 2c r a n k s h a f tm a t e r i a ld e v e l o p m e n t 18 2 1 3t h es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yo f c r a n k s h a f t j 1 8 2 2t h ec r a n k s h a f tp a r t so f t h r e ep l u n g e rp u m p 18 c h a p t e r 3a n a l y s i sa b o u t s t a t i ca n dd y n a m i co ft h ep i s t o ns y s t e m 2 1 3 1t h es t a t i c sa n a l y s i so f t h ep i s t o n 2 1 3 2t h e d y n a m i c sa n a l y s i so f t h ep i s t o n 2 1 3 3v e l o c i t ya n a l y s i so f t h ep i t o n 2 4 3 4p i s t o na c c e l e r a t i o n 2 6 3 5t h ew e i g h tc a l c u l a t i o no f t h ep i s t o n 2 6 3 山东大学硕士学位论文 3 5 1r a ms i z eo f t h e p i s t o n 2 7 3 5 2t h ec a l c u l a t i o no f v o l u m eo f t h ep i s t o n 2 6 3 5 3q u a l i t yc a l c u l a t i o no f t h e p i s t o n 2 6 3 5 4g e n e r a t e d t o r q u ed u et ot h ea c c e l e r a t i o n 2 7 3 5 5g e n e r a t e dt o r q u ed u et ot h ea c c e l e r a t i o na n dc e m e ms l u r r y 2 8 ：；6t h ei n f l u e n c eo f e c c e n t r i cw h e e l 3 0 c h a p t e r4c r a n k s h a f ti na n s y sp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n da n a l y s i so fs t r e s s f i e l d ：；1 4 1i n t r o d u c t i o no f p r o g r a ms y s t e ma b o u t a n s y s 31 4 ：! u s e ri n t e r f a c e 3l 4 2 1d e f i n i t i o no f t h ew o r k p i e c ea n dt h et h ew o r k i n gt i t l e 3 2 4 2 2e l e m e m t y p e 3 2 4 2 3d e f i n em a t e r i a lp r o p e r t i e s 3 3 4 2 4c r e a t e i n g g e o m e t r ym o d e la n dd i v i d i n gn e t w o r k 3 4 4 2 5l o a d i n ga n ds o l u t i o n 3 6 4 2 6c h e c k i n gt h es o l v i n gr e s u l t s 4 4 c h a p t e r5r e s u l t so ft h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ea b o u tt h ef i n i t e e l e m e n t z i z l 5 1c r a n k s h a f ts t r e n g t hc h e c k i n g 4 4 5 2o p t i m i z a t i o no f p i s t o ns t r u c t u r e 。4 4 5 3t h es t r u c t u r a la n a l y s i so f t h ec r a n k s h a f t 4 6 5 4o t h e r z 1 6 5 4 1t h ei n f l u e n c eo f c o r r o s i o no nt h ep l u n g e r 4 6 5 4 2t h ei n f l u e n c eo f c o r r o s i o no nt h es e a l i n gm a t e r i a l 4 7 5 4 3t h eo n e - w a yv a l v es e a l i n g 4 7 5 4 4 t h ee f f e c to f m e c h a n i c a lv i b r a t i o no ns e a 4 7 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e 5 ( ) e x p r e s st h a n k s 5 3 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的研究与意义 第1 章绪论 固井是钻井过程中的重要作业。在钻井作业中一般至少要有两次或多次固 井( 一般生产井采用两次固井，深探井采用4 次或5 次固井) 。第一次固井是表 层套管固井，它起的是“泥浆通路，油气门户”的作用。在下一次开钻之前，表层 套管目的要装防喷器预防井喷。防喷导管之上要装泥浆导管，是钻井液返回泥浆 池的通路。钻井过程中往往要做第二次固井，即技术套管固井，它起的是“巩固 后方，安全探路”的作用。和公路的隧道、煤矿中的巷道一样，钻井过程中也会 遇到井塌、高压和不稳定的地层，同时也是为了在向前“探路”中遇险有个退路， 起到“救助”的作用。油层套管起的是“严密封隔，油气门户”的作用。油层未钻穿 前，油气水在地层中处于平衡和封隔的状态，钻穿后油气水层连成一体。所以为 了试油和开采油气，必须下油层套管注水泥，将油气水层严密封隔；另外在深海 作业中，为了将油井与海水隔离开，需要向深海油井管壁灌输高压水泥浆，凝固 后形成一层水泥管道外壳将油井管道和海水隔离开。这样在深海钻井过程中， 水泥泥浆管道阻止了海水进入石油管道，也避免了海水污染石油。所以在海中石 油作业的打井，打压高压水泥泥浆是不可缺少的一个环节。这就需要专门的设备 来专门向深海石油井道中输送高压水泥。如图1 1 所示的海底钻井简图： 首先确定钻井的海底位置，先将管道固定海底位置的特定位置，固定一组 同心管道，最内的管道内有钻杆及钻头，专门在海底土壤及岩石钻出孔道，由里 至外第二层管道向外输出在钻孔过程中被击碎的岩石及土壤泥浆，第三层管道负 责向海底钻孔形成的孔道圆周方向输送水泥泥浆，凝固后形成水泥管道。这样在 抽取液体矿物中不会渗入海水，影响液体矿物的浓度。这其中包含着复杂的化学 及物理变化。 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 海底钻井简图 1 一钻探船只；2 一输送水泥泥浆管道；3 一钻井钻杆及钻头；4 一进水管道；5 一固定端 见图1 - 2 ，在海地岩石部分，钻井并固井就要防止海水进入井道。钻井后向 井壁打压高压水泥泥浆，井壁上的水泥浆凝固后形成水泥管道，从而将井道同海 水隔离。 图1 2 水泥的隔离示意图 山东大学硕士学位论文 无论是陆地还是海上深井钻孔都需要固井技术，水泥浆的压力也关系着钻井 深度的最大极限。打压水泥的设备就是固井泵。都需要固井泵来打压水泥浆。固 井设备的性能和工作好坏是直接影响油井固井质量的重要因素。随着石油工业的 发展，现场对往复泵提出了更高的要求，主要是高压力、大排量、体积小、重量 轻、易维护、成本低。近年来，特别是三缸单作用柱塞泵在双机双泵固井水泥车 上的应用，对减小柱塞泵体积和重量，提高其易损件的工作寿命和承受载荷强度 等提出了更高的要求。由于各种原因，国产固井泵的设计和生产技术发展较慢， 使得国产固井泵因品种规格少，部分零部件可靠性不高、使用功能单一而不能满 足现场生产需要，并成为制约固井设备发展的主要因素。 1 2 三柱塞泵工作原理 泵的种类很多。就结构而言，泵可以分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。由于 结构不同，各自的性能和使用特点也不同。将这三种泵性能进行比较：齿轮泵的 优点是：体积小，重量轻，结构简单，制造方便，价格低，工作可靠，自吸性能 较好，对油液污染不敏感，维护方便等。齿轮泵的缺点是：流量和压力脉动较大， 噪声大，排量不可变等。叶片泵的优点和齿轮泵相比具有流量均匀、运转较为平 稳噪声低，压力高压可达3 0 m p a 。但它对油液等污染比齿轮泵较为敏感。另外 由于叶片的结构特点，其转速也达不到齿轮泵的转速，但也不能太小。一般其转 速为6 0 0 2 4 0 0 r m i n 。和齿轮泵相比最大的缺点是结构复杂，吸入性较差。 表1 1 ，就是将各种泵的性能及主要参数大致做了比较，就可以比较出各齿 轮泵、叶片泵及各种柱塞泵的性能。 表1 1 各种泵的性能比较 根据适用场合的不同，吸入材料的不同。深海钻井吸入的是水泥泥浆，需 要向深海提供的压力较大的水泥泥浆、另外在排量上的也能满足施工要求。于是 山东大学硕士学位论文 齿轮泵和叶片泵就排除在外。 柱塞泵具有效率高、转速高、驱动功率大、额定压力高、容积效率高等等各 项优点。所以被广泛应用于高压、大流量、大功率的场合。比如：大功率的拉床、 工程机械、和深海钻井等等。 柱塞泵的种类分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。所谓轴向柱塞泵和径向柱塞泵 是指活塞或柱塞与运动轴的方向相同还是与轴的方向垂直。轴向柱塞泵就是柱塞 的运动与运动轴的方向一致。而径向柱塞泵就是柱塞的运动与其传动轴的轴线垂 直。两者在结构上不一样，在性能上也各有特点。轴向柱塞泵因其柱塞的运动方 向和轴平行，具有结构紧凑，体积小的优点。但因其柱塞和斜盘有磨损，具有噪 声大的缺点。 如图1 3 示斜盘式轴向柱塞泵。泵的组成由斜盘1 ，柱塞2 和承载柱塞的缸 体3 ，配油盘4 ，传动轴5 组成。固定不动的是斜盘1 和配油盘4 。传动轴5 带 动缸体3 以一定的转速作匀速回转运动。缸体3 带动柱塞2 也一起运动。柱塞2 靠机械装置( 比如弹簧) 或液压油的作用压紧在斜盘上。单个柱塞在回转一周也 就完成一压一缩的过程。在配油盘的配合下，柱塞的一次压入过程就将液体压到 配油盘的一侧，一吸吸入过程就从配油盘的另一侧将液体吸入缸体。于是单个柱 塞回转一周，就能完成从配油盘的一侧将液体吸入柱塞泵的缸体，然后再从泵 图1 3 轴向柱塞泵的工作原理 1 一斜盘；2 一柱塞( 或活塞) ：3 一缸体；4 一配油盘；5 一传动轴 4 山东大学硕士学位论文 的缸体将液体压到配油盘的另一侧。就完成将液体加压的过程。当然这样的柱塞 泵可有多个柱塞构成，多个柱塞同时完成这项工作，就增大了排量。增大排量的 方法还可以从调节配油盘的角度来改变。从图1 3 中看出，柱塞向缸体内的推 动，压缩缸体内的空间，形成了打压压力。而推动柱塞的动力就是靠斜盘的推动 作圆周的柱塞，这样固定的斜盘和运动的柱塞端部产生滑动的摩擦。正是这个摩 擦影响了斜盘的寿命从而影响整个泵的寿命。 径向柱塞泵的种类也比较多，图1 4 ，就是一种径向柱塞泵，可以看出各个 柱塞的分布就是沿圆周的直径方向布置。故名径向柱塞泵。它的组成：l 、定子； 2 、柱塞；3 、转子；4 、衬套；5 、配流轴等五部分组成。转子带动柱塞在定子内 做圆周运动。定子和转子不同心，他们之间有一个偏心量e 。每旋转一周，柱塞 被定子压迫在转子径向移动，行程为2 9 。柱塞的运动就完成了流体的吸压动作。 图1 4 径向柱塞泵的组成 1 一定子：2 一柱塞；3 转子；4 一衬套：5 一配流轴 三柱塞泵输出轴固定三件成1 2 0 。夹角的凸轮，三个柱塞通过连杆装置分别固 定在偏心套( 凸轮) 上，通过偏心套( 凸轮) 的旋转，实现柱塞往复运动。当凸 轮由最高点向下旋转时，带动柱塞往下运动，使缸体内密封工作腔容积不断增加， 产生局部真空，输出管单向阀关闭，从而将水泥溶液由吸入管吸入；凸轮转至最 低点处后，继续旋转，带动柱塞往上运动，使缸体内密封工作腔容积不断减少， 山东大学硕士学位论文 压力不断增大，吸入管单向阀关闭，使水泥从输出管向外压出。输出轴每转一 转，每个柱塞往复运动一次，完成吸、排动作一次。图1 5 就是柱塞泵的组成及 工作原理。 图1 5 径向柱塞泵的组成 1 一连杆；2 一偏心套；3 一转动轴；仁活塞( 柱塞) ；5 一缸体 1 3 国产柱塞泵生产及性能 所以固井泵性能的高低，关系着打压水泥的压力关系着深井钻孔的深度。 我国有诸多生产固井泵或压裂泵的厂家，而生产固井泵的龙头企业是石油四机 厂，地处湖北省荆州市，是一家专门从事石油钻探和采装设备的研究及制造企业。 第四机械厂建于1 9 4 1 年，1 9 5 3 年与石油师三团合并成立玉门矿务局运输处汽车 修理厂；1 9 7 0 年南下荆州参加五七油田会战，从事柴油车制造，曾生产出国内第 一台6 吨、1 2 吨柴油车，产量达到5 0 0 多台。上个世纪八十年代转产石油机械， 首家从美国引进修井机、水泥车和压裂机组等七项制造技术，试制出我国国产第 一台修井机、自动混浆水泥车和首套大功率压裂机组。上个世纪9 0 年代，以中 美合资四机赛瓦公司为窗口，成功实现了对石油装备研发国际前沿技术的及时跟 踪和学习。及7 0 年机械制造积淀的实力与国际先进技术的融合，使工厂的产品 研究和开发水平始终保持在国际先进行列。进入二十一世纪以来，不多的通过引 进先进技术和自主创新相结合。四机厂先后承担国际上功率最大的压裂机组等国 家、集团公司和湖北省重大科技项目，并获国家专利1 0 0 多项，形成了具备自主 知识产权的固井压裂设备、钻机、修井机、海洋石油设备和高压管汇元件五大类 一十六个系列二百多个规格的产品群，并在快移快装钻机、低温石油装备、自动 6 山东大学硕士学位论文 混浆水泥车、大功率压裂机组研制领域达到国际领先水平。工厂被认定为“湖北 省企业技术中心”。 2 0 0 0 年以来，工厂先后4 次进行大规模技术改造，完成了“固井压裂设备国 产化基地”改造，建成了高压管汇件、泵等7 条流水生产线，建成了钻修井机综 合性能试验场、固井压裂设备综合性能测试实验室、水压测试中心，通过了国家 实验室认可与计量认证，取得了i s 0 9 0 0 1 和a p i 双认证，建立了h s e 管理体系， 在国内同类企业中率先实施e r p 系统，实现了c a d c a p p p d m e r p 企业管理 资源的集成和共享，进一步巩固了工厂在石油机械制造行业的优势地位。石油钻 机荣获“中国名牌产品”称号，固井水泥车和修井机系列产品和高压管汇产品被认 定为“湖北名牌”。固井水泥车被评为“全国用户满意产品”。“石油四机”品牌被认 定为2 0 0 6 年世界市场中国石油机械行业“十大年度品牌”。 首先我们来看看四机厂生产的一系列柱塞泵的性能参数见表1 2 ： 表1 2 柱塞式固井泵的性能参数 从表1 - 2 中可以看出这一系列的固井泵的转速、打压水泥的排量、和打压 水泥的压力。我们能看出我国生产的固井泵的大概性能，也是和下文的美国生产 的固井泵来比较一下性能参数，你就可以看出两国之间存在着巨大的差距。 我国生产三柱塞固井泵，在生产现场使用时效果不理想，打压水泥压力为 5 0 m p a ，而国外制作的同种型号的柱塞泵打压水泥压力为1 5 0 m p a 。经测绘分析， 材料、形状尺寸基本相同。而性能长相差如此之大。电机功率在远在负荷之内， 这样排除了电机问题。问题出在三柱塞泵的本身。 山东大学硕士学位论文 从表格1 2 中就可以看出国内固井泵生产技术同世界先进国家存在很大的 差距。这些差距制约着我国的石油开采业的战略发展。 1 4 课题国内外发展的现状 1 4 1 在固井水泥及外加剂方面已取得的主要成果 在材料方面国内外学者和技术人员做了大量的研究，并有了新的突破，下 面简单列举在材料方面所做的成绩： ( 1 ) 聚合物分子设计直接应用于新型降失水剂与缓凝剂的研究中，降失水 剂兼顾了耐温、抗盐、分散、沉降稳定性；膨胀剂使用有效温度超过以往膨胀剂 的两倍。 ( 2 ) 化学发泡泡沫水泥。 ( 3 ) 超细材料，如微细水泥、硅灰等已经作为固井的基础材料，在补挤注 水泥与固井施工中取得了明显的效果。 ( 4 ) 为了满足开发深海钻井井深及钻遇条件的严厉挑战，弹性纤维水泥、 深水水泥等特殊水泥应运而生。 ( 5 ) 基本注水泥材料增加了酸溶水泥、高细度水泥、波特兰水泥和高炉渣 的混合物、可储存液体水泥、合成树脂水泥等。 ( 6 ) 固井基本水泥由1 9 9 5 年的8 种增至1 3 种，固井产品及外加剂进一步 细分，达到1 5 个功能分类。 ( 7 ) 传统的固井水泥仍不断发展，而新起的钻井液转化为水泥浆技术 ( m t c ) 找到了具有工业发展趋势的高炉水淬矿渣( b f s ) 一泥浆混合固化液的 方法。 ( 8 ) 无候凝水泥浆体系己作为提高钻井速度的重要措施，缩短建井周期， 创造好的效益。 1 4 2 在固井泵机械设计及生产制造方面 国外壳体采用整体铸造式，曲轴锻造加工后由加工中心一次装夹制造完成， 材料也采4 2 c r m u 。使得整体性能尤其是打压水泥浆压力明显高于国内同样的机 械设备。而国内采用同样的材料。只不过壳体采用了钢板焊接式。不容否认在机 山东大学硕士学位论文 械加工工艺方面国内外还存在这种那种的差异。这些差异大大影响着我国的制造 业。尤其是这种行业制约着我国经济的发展。 1 5 结构优化设计的定义和发展概况 优化设计的定义：英文为o p t i m a ld e s i g n 。选定在设计时力图改善的一个 或几个变量作为目标函数，在固定约束和边界条件下，以数学方法利用计算机 作为工具。在约束和边界不变的条件下，不断调整设计参数及变量，逼近或进 行迭代的方式，一步步使目标函数获得最佳的设计。 优化设计的发展：从众多方案中选出最佳或最优方案的设计方法。它以数 学中的最优化理论为基础( 根据约束、边界条件、目标创造目标函数) ，以计算 机( 编成程序段，利用迭代逐渐逼近目标函数) 为手段，利用计算机的高速运算 能力。根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件 下，寻找最优化的设计方案。 在二战期间，军事上首先应用了优化技术。第一篇机构最优化论文于1 9 6 7 年产生于美国，由r l 福克斯等发表。1 9 7 0 年，c s 贝特勒等数学家用几何规划 解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发 展。随着数学理论的进一步发展和电子计算机技术迅速普及，优化设计学科已逐 步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。通常 设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要 在设计中优选，称为设计变量。设计变量多数为一组，即多个变量。如何找到一 组最为合适的设计变量，在允许的边界条件下，能使所设计的产品结构最合理、 性能最好、质量最高、成本最低( 即技术经济指标最佳，包括材料、加工性、可 回收性) ，有市场竞争能力，同时设计的周期短，这就是优化设计所要解决的问 题。即：在满足需要的情况下，用最少的材料、最简化的生产工艺、可重复利用 的设计方案。 优化设计步骤见图1 - 6 。 9 山东大学硕士学位论文 图1 - 6 优化设计步骤方案 通常采用的最优化算法是逐步逼近法，分为线性规划和非线性规划。 优化设计+ 计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，为机械设计 提供了一种重要的科学设计方法。优化设计就是建议数学方程，是以目标函数为 方向，求解符合边界条件的一组变量；而计算机辅助设计是以计算机为工具，利 用广大的设计软件来设计机械零件。设计软件非常多，简单的有c a x a 制图软 件、u g 制图软件、c a d 制图软件等等，这些软件有现成的标准件可以套用，极 大的方便了设计者绘图。两者的结合。使得优化设计在解决复杂设计问题时，能 从众多设计方案中寻到尽可能完美或最适宜的设计。两者的发展和应用，也是相 互促进、结伴而行的。而机械优化设计计算法本身就是一种迭代逼近过程，其计 算是极其庞大复杂的过程，通过计算机可将庞大的复杂的数据库进行电算处理， 极大地降低了设计者的手算工作量。于是优化设计和计算机融为一体，使得机械 设计变得简单可行。本篇论文就是借助于计算计软件a n s y s ，也就是有限元将 连续的结构问题离散化，进行强度校核并求解薄弱环节。 1 6 有限元软件a n s y s 及其功能简介 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的微型单元体组成，每个微型单元体相互连接。成为 互连子域。对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 解，这个解可能是个近 山东大学硕士学位论文 似解，利用这个解再推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ， 从而得到整个问题的解。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。当单元体 设置越合理，划分越细从而得到解越接近实际的解。由这个单元体过渡到 整个结构求解。这就是有限元的应用原理。采用计算机的手段不仅使单元 体的划分更加合理而且微单元体更加细化。从而使求解计算精度高，而且 能适应各种复杂形状。 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，也就是后 面所说的将整体结构离散化。从细小单元分析过渡到整体分析。有限元的 概念早在几个世纪前就己产生并得到了应用，例如我国古代科学家祖冲之 将圆细分成多个近似三角形，利用三角形重组成一个矩形。当划分的越多， 重组起来的图形越接近矩形。利用重组后的矩形( 有限个直线单元) 逼近 圆来求得圆的周长。这也是有限元理论的最早雏形。有限元作为一种方法 而被提出，则是近代的事。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。经过短短几十年的努力，随着计算机技术的飞 速发展，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。 有限元分析软件，a n s y s 软件是集结构力学、流体力学、电磁学、声学、 热力学分析于一体的大型通用有限元分析软件。它有世界最大的有限元分析软件 a n s y s 与多数c a d 接口，实现了数据的共享和交换，本篇论文使用的是 a n s y s l 2 0 ，可以和p r o e 、a u t o c a d 、u g 等众多软件传送数据。有限元a n s y s 软件是现代产品设计中的高级设计工具之一。广泛应用于应用于结构力学、结 构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 a n s y s 软件在使用时，通过对图像的前期处理，如建模处理、结构的分类、 节点的设置、弹性的、线性的常数选择和输入。软件都已建立各项类别供使用者 直接选择和使用。尤其是载荷的方式以及图像的显现为使用者提供了极大的方 便。 在机械载荷和应力场方便直接显现，更容易使使用者一目了然的看到应力场 山东大学硕士学位论文 的大小，这多优化设计提供了更加方便的数据库。找出设计中的薄弱环节，进行 优化设计，从而使设计更加合理。选材更加直接。结构更加简化。 1 6 1 传统设计方法 对于结构复杂的构件，如机床基础件、塔吊、客车骨架、摩托车车架等应用 经验类比设计，只能取较大的安全系数，使产品“傻大粗”，浪费材料，增加重量， 产品性能在设计阶段难以把握( 如各处应力水平悬殊) ，只有靠样机试验研究( 测 试) ，了解产品性能，对薄弱环节提出改进方案，重新设计。其结果：成本高， 制造周期长。在当今科学技术及生产技术高度发展的今天，市场需求瞬息万变， 对机械产品的要求：多品种、小批量、设计制造周期短、质量高、成本低，故传 统的设计方法已越来越不适应发展的需要 1 6 2 现代设计方法 由于计算机的应用，正在设计领域中进行着一场深刻的革新，产品已进入计 算机辅助设计及自动设计时代( c a d ) 。注意区分两种“c a d ”：c o m p u t e ra i d e d ( a u t o m a t e d ) d e s i g n 与c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ，前者必须包括分析模块，即c a e 模块( 计算机辅助分析模块) ，有限元方法是该模块的基础，有限元方法为在设 计阶段把握产品的性能提供了强有力的工具。象u g 、p r o e 等c a d 软件即包括 有限元分析模块，属第一类c a d ，而象a u t o c a d 软件由于不含有限元分析模块， 属上述第二类c a d ，即仅为计算机辅助绘图软件。有限元分析是利用计算机在 设计阶段对产品特性进行模拟试验( c a s ) 。 1 6 3 有限元的理论应用基础 有限元的理论基础是建立在弹性力学基础上的- i 1 理论，首先结构的微小单 元是塑性材料( 即适用于弹性力学) 。既然符合弹性力学的一些特征，那么单元 体的受力及变形也符合弹性力学的基本方程。弹性力学主要研究受力与变形、应 变与位移、外力与应力的关系。通过这三个关系，建立了弹性力学的基本方程。 弹性力学三组基本方程：( 1 ) 几何方程；( 2 ) 弹性方程；( 3 ) 平衡方程。 以平面为例，平面( 三维) 弹性体情况下的力学基本变量为： 位移分量”、v ； 应力分量为：文、民、r x 。； 1 2 一些查奎堂堡主堂垡笙茎 - - _ _ 一 应力分量各点微小矩形单元的应变x 、y 、7 x y 。 ( 1 ) 应变与位移的关系描述应变与位移关系的微分方程一几何方程。如图 1 - 6 所示，物体的应变：在x 方向为d x ；在y 方向为d y 。 线位移：在x 方向为“；在y 方向为v 。 角位移：强y d。d l l d r哆c l | ij|， 岁 ：0 ：上日 0一 - 一【l u j j 翻 出 o j t 掣：一一一 斗一 囊l l d 删 电，：笃 囊l 1 b 一 血 一 图1 6 微单元体位移及应变分析 于是建立下面的方程组： 8 x = 0 山东大学硕士学位论文 y o 0y tvx tx v i ox 一 r 1 o ) 1 1 “j i ryx i o v v 图l 一7 微单元体受力图示 a x ：x 方向所受正应力； 町：y 方向所受正应力； 如：x y 截面所受剪应力：x y 截面所受剪应力 由以上的分析建立下面的方程组： 厂铲去p ，1 ) 1 0 8 0 ( 11 0 ) ；屈服强度o s ( m p a ) - _ 9 3 0 ( m p a ) ； 山东大学硕士学位论文 伸长率6 5 ( ) ：1 2 ；断面收缩率v ( ) ： 4 5 ； 冲击功a k v ：6 3 ； 冲击韧性值a k v ( j c r n 2 ) ：7 8 ( 8 ) ； 硬度： p r e p r o c e s s o r m e s h i n g