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JX05-025@ZSFZ湿式报警阀的设计,机械毕业设计全套

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1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 300 MN 模 锻 水 压 机 主 分 配 器 阀 体 优 化 设 计 3黄 长 征 1 ,周 亮 2 ,谭 建 平 2(1. 韶 关 学 院 信 息 工 程 学 院 ,广 东 韶 关 512005 ;2. 中 南 大 学 机 电 工 程 学 院 ,湖 南 长 沙 410083)摘 要 :300 MN 模 锻 水 压 机 原 主 分 配 器 阀 体 体 积 较 大 、 阀 芯 布 置 不 合 理 、 工 艺 孔 多 。 通 过 采 用 凸 轮 机 构 式 分 配 阀 芯开 启 方 式 ,重 新 布 置 阀 芯 位 置 ,优 化 设 计 了 阀 体 内 部 结 构 。 以 阀 体 体 积 最 小 为 优 化 目 标 ,以 阀 体 强 度 为 主 要 约 束 条 件 ,采用 有 限 元 方 法 ,对 阀 体 主 要 结 构 参 数 进 行 灵 敏 度 分 析 ,确 定 了 优 化 设 计 变 量 ,对 阀 体 进 行 了 优 化 设 计 。 优 化 后 阀 体 体 积和 工 艺 孔 数 量 大 幅 度 减 少 。关 键 词 :水 压 机 ;分 配 器 ;阀 体 ;优 化 设 计 ;有 限 元中 图 分 类 号 : T G137. 8 + 4 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1001 - 2354 (2007) 05 - 0024 - 04300 MN 模 锻 水 压 机 是 亚 洲 目 前 最 大 的 模 锻 液 压 机 ,主 要生 产 大 型 航 空 航 天 锻 件 ,是 我 国 国 防 建 设 和 重 型 装 备 工 业 的 重要 设 备 。 主 分 配 器 是 水 压 机 操 纵 系 统 的 重 要 组 成 部 分 ,用 于 控制 水 压 机 工 作 缸 、 提 升 缸 、 平 衡 缸 中 工 作 液 体 的 流 量 及 流 向 ,它的 操 作 性 能 好 坏 直 接 影 响 到 水 压 机 的 操 纵 性 能 。 主 分 配 器 阀体 是 主 分 配 器 的 关 键 部 件 ,其 强 度 和 刚 度 好 坏 对 水 压 机 的 正 常运 行 及 安 全 生 产 产 生 重 要 影 响 。 同 时 原 来 阀 体 结 构 较 为 复 杂 ,斜 孔 和 工 艺 孔 多 ,体 积 较 大 ,材 料 和 加 工 成 本 较 高 。 所 以 在 保证 阀 体 强 度 和 生 产 工 艺 要 求 的 情 况 下 ,优 化 阀 体 内 部 结 构 和 阀体 体 积 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。 文 中 对 主 分 配 器 阀 体 进 行 了 优化 设 计 研 究 。1 优 化 内 部 结 构原 主 分 配 器 阀 芯 开 启 属 “ 水 控 水 ” 控 制 方 式 ,采 用 “ 机 械 大扳 把 + 接 力 器 ” 方 式 ,阀 芯 的 布 置 和 设 计 不 便 。 原 主 分 配 器 阀体 结 构 如 图 1 所 示 。 根 据 生 产 实 际 要 求 ,主 分 配 器 阀 芯 开 启 改用 “ 油 缸 + 齿 轮 齿 条 + 凸 轮 装 置 + 转 角 位 移 检 测 装 置 ” 方 式 ,如图 2 所 示 。 通 过 油 缸 驱 动 齿 轮 齿 条 装 置 ,带 动 凸 轮 转 动 ,推 动阀 杆 升 降 ,控 制 阀 芯 开 启 度 ,从 而 控 制 工 作 液 体 流 量 和 流 向 ,最终 控 制 水 压 机 各 工 作 柱 塞 的 动 作 ,完 成 水 压 机 各 执 行 机 构 的 动作 。 应 用 凸 轮 开 启 方 式 ,可 灵 活 布 置 阀 芯 位 置 ,极 为 方 便 地 设计 阀 体 内 部 水 路 ,减 少 或 避 免 在 阀 体 内 开 设 斜 孔 和 工 艺 孔 ,大幅 度 减 少 阀 体 体 积 和 重 量 ,降 低 设 计 加 工 成 本 。 所 以 在 保 证 分配 器 阀 芯 驱 动 方 式 、 开 启 图 、 水 路 和 强 度 等 要 求 的 基 础 上 ,首 先优 化 其 内 部 结 构 1 。图 1 优 化 前 主 分 配 器 阀 体图 2 凸 轮 式 分 配 器 阀 芯 开 启 方 式根 据 功 能 要 求 ,重 新 布 置 阀 芯 位 置 ,各 阀 芯 与 水 压 机 管 道连 接 关 系 保 持 不 变 。 为 便 于 加 工 ,尽 量 将 各 工 艺 孔 和 连 接 孔 设计 为 直 孔 ,尽 量 避 免 斜 孔 。 各 阀 芯 布 置 如 图 3 所 示 。 优 化 设 计前 后 阀 体 的 工 艺 孔 和 斜 孔 数 量 比 较 如 表 1 所 示 。 由 表 1 可 知 优化 后 阀 体 的 工 艺 孔 和 斜 孔 数 量 大 幅 度 减 少 。图 3 优 化 后 主 分 配 器 阀 体表 1 阀 体 优 化 前 后 工 艺 孔 及 斜 孔 数 量 对 照 表阀 体 优 化 前 优 化 后 相 对 变 化 率工 艺 孔 数 量 8 6 - 25 %斜 孔 数 量 5 1 - 80 %2 优 化 阀 体 体 积2. 1 建 立 有 限 元 模 型主 分 配 器 阀 体 有 阀 芯 安 装 孔 、 工 艺 孔 、 连 接 法 兰 安 装 螺 纹孔 、 阀 体 安 装 螺 纹 孔 等 。 在 不 影 响 计 算 精 度 的 条 件 下 ,为 提 高计 算 速 度 ,建 立 有 限 元 模 型 时 ,忽 略 各 种 安 装 螺 纹 孔 不 予 考 虑 ,第 24 卷 第 5 期2 0 0 7 年 5 月机 械 设 计JOU RNAL OF MACHIN E DESIGNVol. 24 No. 5May 20073 收 稿 日 期 :2006 - 09 - 04 ;修 订 日 期 :2006 - 10 - 19基 金 项 目 :国 防 科 工 委 资 助 项 目 (科 工 计 字 2000 (589) )作 者 简 介 :黄 长 征 (1970 - ) ,男 ,湖 南 耒 阳 人 ,博 士 研 究 生 ,广 东 韶 关 学 院 信 息 工 程 学 院 讲 师 , 主 要 从 事 机 电 液 集 成 控 制 理 论 与 技 术 应 用 研 究 。nts 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 只 考 虑 工 艺 孔 和 阀 芯 安 装 孔 。阀 体 有 限 元 模 型 实 体 单 元 采 用 solid92 单 元 。 阀 体 实 体 模型 较 复 杂 ,求 解 规 模 大 。 阀 体 孔 系 纵 横 交 错 ,不 便 于 采 用 扫 描或 映 射 方 式 划 分 单 元 网 格 ,所 以 采 用 自 由 方 式 划 分 单 元 网 格 。采 用 自 下 而 上 的 建 模 方 法 建 立 有 限 元 模 型 ,选 择 合 适 的 精 度 划分 单 元 网 格 。阀 体 通 过 螺 栓 与 支 架 固 定 。 将 有 限 元 模 型 中 阀 体 和 支 架相 连 接 的 底 面 分 成 几 个 面 ,然 后 约 束 这 些 面 的 所 有 自 由 度 。 外部 管 道 的 连 接 也 会 对 阀 体 形 成 一 定 的 约 束 ,因 阀 体 的 法 兰 主 要集 中 在 阀 体 出 水 侧 ,所 以 在 阀 体 出 水 侧 y 方 向 施 加 约 束 。阀 体 所 受 载 荷 主 要 有 : (1) 阀 芯 内 水 的 压 力 ; (2) 阀 芯 开 启与 关 闭 时 的 液 压 冲 击 ; (3)水 压 机 工 作 时 产 生 的 动 载 荷 。阀 芯 内 的 水 来 自 于 泵 站 ,泵 站 的 额 定 压 力 为 32 MPa ,阀 体载 荷 主 要 来 自 阀 芯 内 高 压 水 的 压 力 。 工 作 最 高 压 力 为 45MPa。 提 升 缸 、 工 作 缸 及 平 衡 缸 工 作 时 因 阀 芯 突 然 开 启 ,会 引起 液 压 冲 击 ,液 压 冲 击 为 : p = c v (1)式 中 : 流 体 密 度 , kg/ m3 ;v 管 中 液 体 原 来 流 速 , m/ s ;c 冲 击 波 传 播 速 度 , m/ s ,对 于 水 , c = 1 425 m/ s。水 压 机 的 运 行 参 数 如 表 2 所 示 。表 2 水 压 机 运 行 参 数 及 液 压 冲 击行 程 速 度 v1/ ( mm/ s) 液 压 冲 击 / MPa空 程 150 10. 0加 压 0 30 13. 3回 程 150 14. 4水 压 机 各 缸 尺 寸 如 表 3 所 示 。表 3 水 压 机 各 缸 尺 寸 表工 作 缸 提 升 缸 平 衡 缸直 径 d1/ mm 1 030 480 400数 量 n 8 4 4进 入 液 压 缸 的 水 流 总 流 量 :Q = nv 1 d21/ 4 (2)忽 略 系 统 泄 漏 ,管 道 液 体 流 速 为 :v2 = 4Q d22(3)式 中 : d2 管 道 内 径 。由 式 (1) 式 (3) 即 得 水 压 机 各 工 况 下 的 液 压 冲 击 ,如 表 2所 示 。 但 液 压 系 统 压 力 由 负 载 决 定 ,所 以 实 际 运 行 时 液 压 缸 内的 压 力 不 会 突 然 增 大 到 最 大 压 力 ,即 在 最 大 压 力 下 不 会 出 现 最大 液 压 冲 击 。 图 4 图 6分 别 是 提 升 缸 、 平 衡 缸 和 工 作 缸 实 测 压力 曲 线 图 。 从 图 4 可 知 ,提 升 缸 工 作 压 力 为 15 MPa ,在 提 升 动 作之 初 出 现 液 压 冲 击 ,其 压 力 为 23 MPa ,若 因 故 障 活 动 横 梁 提 升不 上 去 时 ,则 各 提 升 缸 压 力 与 泵 站 的 相 同 ,均 为 32 MPa。 由 图 5可 知 ,平 衡 缸 压 力 为 30 MPa ,受 液 压 冲 击 影 响 比 较 小 ,其 压 力 为32 MPa。 工 作 缸 压 力 随 加 工 件 的 变 形 抗 力 而 变 化 ,在 高 速 压 制时 压 力 不 会 太 高 ,只 有 当 压 制 速 度 接 近 于 零 时 压 力 才 能 增 长 到最 大 值 。 工 件 变 形 是 一 个 连 续 过 程 ,加 压 时 不 会 出 现 大 的 液 压冲 击 ,其 最 大 压 力 取 三 级 压 力 45 MPa。图 4 提 升 缸 实 测 压 力 曲 线 图图 5 平 衡 缸 实 测 压 力 曲 线 图图 6 工 作 缸 实 测 压 力 曲 线 图水 压 机 动 载 荷 有 振 动 、 水 击 、 机 械 配 合 部 分 间 隙 过 大 引 起的 撞 击 ,以 及 操 作 机 钳 杆 转 动 给 与 水 压 机 的 动 载 等 。 对 阀 体 造成 影 响 的 主 要 是 液 压 冲 击 。 冷 铁 锻 造 或 低 温 锻 造 时 ,以 及 模 锻工 艺 中 突 然 靠 模 时 都 会 在 工 作 缸 中 产 生 液 体 压 力 激 增 的 水 击现 象 。 该 水 压 机 因 压 制 速 度 慢 ,所 以 动 载 荷 不 予 考 虑 。综 上 所 述 ,给 阀 体 有 限 元 模 型 施 加 的 载 荷 是 :直 接 与 泵 站相 连 的 各 个 腔 施 加 与 泵 站 来 水 相 同 的 压 力 32 MPa ,与 提 升 缸 和平 衡 缸 相 连 的 各 个 腔 施 加 32 MPa 压 力 ,与 工 作 缸 相 连 的 各 个腔 施 加 变 压 器 变 压 后 的 最 大 压 力 45 MPa。2. 2 分 析 优 化 变 量 的 灵 敏 度影 响 阀 体 优 化 设 计 的 变 量 很 多 , 为 减 少 计 算 工 作 量 、 提 高设 计 效 率 ,优 化 设 计 时 只 考 虑 灵 敏 度 较 大 的 设 计 变 量 ,不 考 虑灵 敏 度 较 小 的 设 计 变 量 。 所 以 必 须 进 行 优 化 变 量 的 灵 敏 度 分析 ,求 得 阀 体 体 积 随 某 一 变 量 的 改 变 程 度 ,找 出 对 阀 体 体 积 影响 较 大 的 优 化 变 量 。根 据 现 场 要 求 ,优 化 设 计 的 初 始 设 计 变 量 及 其 取 值 范 围 如表 4 所 示 。 各 优 化 变 量 的 坐 标 系 如 图 3 所 示 。 阀 体 设 计 主 要 考 虑其 应 力 大 小 ,所 以 选 取 阀 体 所 受 应 力 作 为 状 态 变 量 。 阀 体 材 料为 35 钢 ,屈 服 极 限 s 为 244 MPa ,安 全 系 数 取 1. 8 ,则 许 用 应 力为 135. 6 MPa ,状 态 变 量 m 取 135. 6 MPa。采 用 参 数 化 语 言 A PDL 编 程 ,建 立 阀 体 优 化 模 型 ,然 后 进522007 年 5 月 黄 长 征 ,等 : 300 MN 模 锻 水 压 机 主 分 配 器 阀 体 优 化 设 计nts 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 行 灵 敏 度 分 析 ,得 各 初 始 设 计 变 量 灵 敏 度 如 图 7 和 图 8 所 示 。 由图 7 和 图 8 可 知 , 灵 敏 度 相 对 较 大 的 变 量 是 c, f , g , six_ x ,eight_ x ,其 余 的 较 小 。 因 此 ,在 阀 体 体 积 最 小 优 化 设 计 时 以 这 5个 变 量 作 为 优 化 设 计 变 量 ,其 余 变 量 忽 略 不 计 。图 7 初 始 设 计 变 量 灵 敏 度 曲 线 (1)图 8 初 始 设 计 变 量 灵 敏 度 曲 线 (2)表 4 初 始 设 计 变 量 表变 量 变 量 说 明 取 值 范 围 / ma 1 ,3 ,5 ,7 阀 y 轴 坐 标 0. 560 0. 620b 4 阀 和 5 阀 连 接 工 艺 孔 x 坐 标 0. 620 0. 680c 4 阀 和 5 阀 连 接 工 艺 孔 y 坐 标 0. 365 0. 380d 2 阀 和 回 水 孔 连 接 工 艺 孔 x 坐 标 0. 900 0. 950e 2 阀 和 回 水 孔 连 接 工 艺 孔 y 坐 标 0. 150 0. 300f 阀 体 长 度 1. 500 2. 000g 阀 体 宽 度 0. 750 0. 850h 2 ,4 ,8 阀 y 坐 标 0. 200 0. 220five_ x 5 阀 x 坐 标 0. 600 0. 700six_ x 6 阀 x 坐 标 0. 150 0. 190six_ y 6 阀 y 坐 标 0. 270 0. 300seven_ x 7 阀 x 坐 标 0. 260 0. 290eight_ x 8 阀 x 坐 标 0. 420 0. 4402. 3 优 化 阀 体 体 积以 变 量 c , f , g , six_ x ,eight_ x 为 优 化 设 计 变 量 ,其 取 值 范 围如 表 4 所 示 。 以 满 足 阀 体 强 度 要 求 为 主 要 约 束 条 件 ,以 阀 体 体 积最 小 作 为 优 化 目 标 进 行 优 化 设 计 。 采 用 ANSYS 软 件 的 A PDL参 数 化 语 言 进 行 编 程 建 模 ,定 义 目 标 函 数 ,生 成 阀 体 优 化 设 计模 型 。 求 解 运 算 得 各 优 化 设 计 变 量 优 化 值 ,最 后 圆 整 得 设 计 变量 优 化 值 如 表 5 所 示 ,优 化 后 的 阀 体 如 图 3 所 示 2 5 。表 5 优 化 后 变 量 值变 量 c f g six_ x eight_ x数 值 / m 0. 370 1. 660 0. 780 0. 160 0. 4302. 4 阀 体 优 化 效 果建 立 优 化 前 后 的 两 个 阀 体 有 限 元 模 型 ,施 加 载 荷 并 求 解 ,得 到 两 个 阀 体 在 各 种 工 况 下 的 最 大 应 力 、 应 变 ,以 及 优 化 前 后阀 体 体 积 变 化 (如 表 6 所 示 ) 。 优 化 前 后 阀 体 在 受 最 大 载 荷 三 级压 力 状 态 下 所 受 等 效 应 力 如 图 9 和 图 10 所 示 。表 6 阀 体 优 化 前 后 性 能 比 较 表工 况 力 学 性 能 优 化 前 优 化 后 相 对 变 化 值 / %二 级压 力应 力 / MPa 121 127 5. 0应 变 ( 10 - 4) 5. 8 6. 1 5. 2三 级压 力应 力 / MPa 130 132 1. 5应 变 ( 10 - 4) 6. 3 6. 3 0提 升 应 力 / MPa 121 131 8. 3应 变 ( 10 - 4) 5. 8 6. 3 8. 6空 程 应 力 / MPa 121 128 5. 8应 变 ( 10 - 4) 5. 8 6. 1 5. 2质 量 / kg 7 300 5 400 26图 9 阀 体 优 化 前 三 级 压 力 下 等 效 应 力 图图 10 阀 体 优 化 后 三 级 压 力 下 等 效 应 力 图由 表 6 可 看 出 ,阀 体 优 化 后 质 量 大 幅 度 减 少 ,减 少 幅 度 为26 %.最 大 应 力 、 最 大 应 变 增 加 极 小 ,最 大 相 对 变 化 量 为 8. 3 % ,但 都 满 足 性 能 要 求 。 因 此 优 化 效 果 非 常 显 著 。3 结 论(1)采 用 凸 轮 驱 动 分 配 阀 芯 开 启 方 式 ,优 化 设 计 了 主 分 配器 阀 体 的 内 部 结 构 。(2)应 用 有 限 元 方 法 ,以 阀 体 体 积 最 小 为 优 化 目 标 ,以 阀 体强 度 为 约 束 条 件 ,分 析 了 阀 体 主 要 结 构 参 数 对 阀 体 体 积 影 响 的灵 敏 度 ,确 定 了 优 化 变 量 ,并 进 行 了 优 化 设 计 。 优 化 前 后 阀 体的 力 学 性 能 和 体 积 比 较 分 析 表 明 ,阀 体 体 积 、 工 艺 孔 数 量 大 幅度 减 少 ,同 时 阀 体 在 各 种 工 况 下 所 受 最 大 应 力 和 应 变 增 加 极小 。(3)工 程 应 用 表 明 ,优 化 后 的 主 分 配 器 工 作 稳 定 可 靠 。 该方 法 为 同 类 零 部 件 的 优 化 设 计 提 供 了 参 考 。参 考 文 献 1 俞 新 陆 . 液 压 机 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1982 :96 - 98.2 Wang Liangsheng , Basu Prodyot K , Leiva J uan Pablo. Automo2bile body reinforcement by finite element optimizationJ . Finite62 机 械 设 计 第 24 卷 第 5 期nts 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基 于 分 层 有 向 图 的 装 配 顺 序 规 划 方 法 3欧 阳 君 涛 ,李 原 ,张 开 富 ,刘 平(西 北 工 业 大 学 现 代 设 计 与 集 成 制 造 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 ,陕 西 西 安 710072)摘 要 :航 空 产 品 装 配 结 构 复 杂 ,装 配 单 元 繁 多 ,其 装 配 顺 序 规 划 的 难 度 较 大 。 基 于 割 集 法 对 航 空 产 品 进 行 规 划 易 产生 图 爆 炸 现 象 ,因 此 ,采 用 分 层 有 向 图 表 示 装 配 模 型 ,提 出 一 种 将 装 配 模 型 逐 层 拆 解 ,逐 步 规 划 ,组 合 形 成 产 品 装 配 顺 序的 方 法 。 并 以 某 型 机 翼 为 实 例 予 以 应 用 验 证 。关 键 词 :分 层 有 向 图 ;分 离 面 ;装 配 顺 序 规 划中 图 分 类 号 : TB391. 7 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1001 - 2354 (2007) 05 - 0027 - 03飞 机 作 为 一 种 复 杂 产 品 ,机 体 由 几 万 甚 至 几 十 万 个 零 件 组成 ,设 计 人 员 采 用 大 量 的 分 离 面 ,将 飞 机 分 割 为 许 多 部 件 、 段 件和 组 件 1 。 因 此 ,其 装 配 单 元 繁 多 ,装 配 结 构 复 杂 。 如 果 对 这类 产 品 基 于 传 统 图 模 型 进 行 装 配 顺 序 规 划 ,因 后 续 割 集 数 量 随着 零 件 数 量 的 增 加 ,指 数 爆 炸 式 地 增 长 ,将 产 生 大 量 无 用 的 装配 顺 序 ,且 规 划 难 度 大 ,效 率 低 。为 降 低 装 配 顺 序 规 划 的 难 度 ,提 高 规 划 效 率 ,提 出 一 种 基于 分 层 有 向 图 模 型 的 装 配 顺 序 规 划 方 法 。 首 先 ,基 于 分 离 面 的研 究 ,结 合 层 次 模 型 和 有 向 图 模 型 的 特 点 建 立 更 符 合 工 程 实 际的 分 层 有 向 图 模 型 ;其 次 ,利 用 产 品 层 次 化 、 模 块 化 的 特 点 ,将结 构 复 杂 的 产 品 模 型 逐 层 拆 解 成 结 构 简 单 的 局 部 有 向 图 模 型 ,并 对 局 部 有 向 图 进 行 图 搜 索 ,形 成 局 部 装 配 顺 序 ;最 后 ,基 于 层次 关 系 组 合 局 部 装 配 顺 序 ,生 成 产 品 装 配 顺 序 。1 基 于 分 层 有 向 图 的 装 配 建 模1. 1 分 离 面飞 机 相 邻 单 元 之 间 的 对 接 处 或 结 合 面 称 为 分 离 面 ,分 离 面可 分 为 两 大 类 :设 计 分 离 面 和 工 艺 分 离 面 。 设 计 分 离 面 与 工 艺分 离 面 是 飞 机 产 品 进 行 装 配 单 元 划 分 的 重 要 依 据 。 设 计 人 员采 用 大 量 的 设 计 分 离 面 和 工 艺 分 离 面 ,将 整 机 划 分 为 许 多 部件 、 段 件 和 组 件 ,从 而 满 足 使 用 功 能 、 生 产 、 维 护 修 理 、 运 输 方 便等 方 面 的 需 要 1 。1. 2 分 层 有 向 图在 分 层 有 向 图 模 型 中 ,首 先 利 用 分 离 面 将 复 杂 装 配 体 分 解成 多 个 子 装 配 单 元 ,形 成 飞 机 结 构 分 解 树 ,之 后 对 每 一 层 的 装配 单 元 加 载 装 配 定 位 关 系 信 息 ,建 立 表 达 装 配 定 位 关 系 的 有 向图 2 。 其 结 构 如 图 1 所 示 。图 1 分 层 有 向 图分 层 有 向 图 模 型 包 含 装 配 体 的 层 次 信 息 和 装 配 关 系 信 息 ,结 合 层 次 模 型 和 有 向 图 模 型 的 优 点 ,与 其 他 装 配 模 型 相 比 ,该Element s in Analysis and Design , 2004 , 40 (8) : 879 - 893. 3 田 树 军 ,李 利 ,冯 毅 . 基 于 计 算 智 能 的 液 压 集 成 块 优 化 设 计 J . 中国 机 械 工 程 , 2003 ,14 (17) :1 492 - 1 495.4 王 友 渔 ,梅 江 平 ,黄 田 , 等 . 高 速 并 联 机 械 手 的 静 动 态 特 性 预 估 与优 化 设 计 J . 机 械 设 计 ,2006 ,23 (7) :22 - 24. 5 周 俊 峰 ,谭 建 平 . 基 于 有 限 元 的 激 光 板 厚 测 量 系 统 C 形 框 架 结 构设 计 J . 中 国 机 械 工 程 , 2006 ,17 (12) : 1 217 - 1 220.Optimization design on valve2body of main distributor in the300 MN mould forging hydraulic pressHUANG Chang2zheng1 , ZHOU Liang2 , TAN Jian2ping2(1. College of Information Engineering , Shaoguang Insti2tute , Shaoguang 512005 , China ; 2. School of Electro2Mechani2cal Engineering , Central2south University , Changsha 410083 ,China)Abstract : The original volume of main distributor valve2body of 300 MN mould forging hydraulic press was rather big ,unreasonable in valve2core arrangement and excessive in techno2logical holes. B Y means of adopting the cam mechanism typedopening mode of distribution valve2core , the position of valve2core was rearranged and the inner structure of valve2body wasoptimally designed. Taking the minimum volume of valve2bodyas the optimization target , the strength of valve2body as themain restraint condition and adopting the finite element meth2od , the sensitivity analysis was carried out on the main struc2tural parameters of valve2body. The optimal designing variableswere determined , and the optimization design on valve2bodywas carried out. The volume and the number of technologicalholes of valve2body were reduced to a large extent.Key words :hydraulic press ; distributor ; valve2body ; opti2mization design ; finite elementFig 10 Tab 6 Ref 5 “ Jixie Sheji” 6508第 24 卷 第 5 期2 0 0 7 年 5 月机 械 设 计JOU RNAL OF MACHIN E DESIGNVol. 24 No. 5May 20073 收 稿 日 期 :2006 - 09 - 04 ;修 订 日 期 :2006 - 12 - 29基 金 项 目 :航 空 863CIMS 资 助 项 目 (2006AA04Z137) ;国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 (2006BAF01A03)作 者 简 介 :欧 阳 君 涛 (1981 - ) ,男 ,河 南 洛 阳 人 ,西 北 工 业 大 学 机 电 学 院 硕 士 研 究 生 ,主 要 研 究 方 向 :虚 拟 装 配 、 CAD / CAM。nts文 章 编 号 : 100225855 (2008) 0320032204基 金 项 目 : 湖 北 省 自 然 科 学 基 金 (2005ABA310) 和 湖 北 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 项 目 (D200612003) 。作 者 简 介 : 易 先 中 (1963 - ) , 男 , 教 授 , 从 事 CAD/ CAE/ CAM、 先 进 钻 采 机 械 和 机 电 一 体 化 技 术 等 研 究 。527WS - 1 型 舷 侧 舌 阀 阀 体 的 有 限 元 分 析易 先 中 1 , 江 山 1 , 邓 洋 1 , 马 卫 国 1 , 李 爱 平 2 , 闵 文 涛 2(11 长 江 大 学 机 械 工 程 学 院 , 湖 北 荆 州 434023 ; 21 武 昌 造 船 厂 , 湖 北 武 汉 430063)摘 要 运 用 ANSYS 和 Pro - E 软 件 的 无 缝 连 接 技 术 , 对 在 水 下 高 压 状 态 下 工 作 的 527WS - 1型 舷 侧 舌 阀 阀 体 进 行 了 多 种 工 况 的 有 限 元 力 学 分 析 。 研 究 结 果 表 明 在 关 闭 、 开 启 和 强 度 试 验 等 3种 工 况 中 , 以 舌 阀 在 开 启 状 态 工 作 时 , 阀 体 所 受 的 力 最 大 , 但 最 大 应 力 值 只 为 其 材 料 的 塑 性 强 度极 限 的 65 % , 阀 体 表 面 将 无 塑 性 变 形 出 现 , 满 足 强 度 要 求 , 增 加 阀 体 内 壁 面 两 斜 交 中 空 圆 柱 体处 的 过 渡 圆 角 半 径 , 可 显 著 改 善 阀 体 的 应 力 集 中 状 态 。关 键 词 船 用 阀 ; 舌 阀 ; 阀 体 ; CAD中 图 分 类 号 : TH134 文 献 标 识 码 : AFinite element analysis of valve body in 527WS - 1 type ship side flap valveYI Xian2zhong1 , J IAN G San1 , DEN G Yang1 , MA Wei2guo1 , L I Ai2ping2 , M IN Wen2tao2(11School of Mechanical Engineering Yangtze University , Jingzhou , 434023 , China ; 21Wuchang Shipyard , Wuhan 430063 , China)Abstract : Mechanical strength problems of the valve body in 527WS - 1 type ship side flap valve inunderwater high pressure are analyzed elaborately , using the integrated technology between ANSYSsoftware and Pro2E software. The obtained results show that all of three statuses whose are open ,close and waterproof test , the biggest stress value occurs in the valve body when the flap valve isopen. This stress value is approximately 65 percent the range of minimum yield strength , thestrength condition of valve body is satisfied and the valve is safe in all three statuses. The stress con2centration effect is weakened with increasing the internal transition radius between two hollow inter2sectant cylinders of the valve body. It is recommended that the optimization transitional radius is near2ly 015 018 the thickness of valve body in order to decrease the stress concentration.Key words : hull valve ; flap valve ; valve body ; CAD1 概 述527WS - 1 型 舷 侧 舌 阀 是 大 型 船 舶 和 水 下 潜 艇中 重 要 的 关 键 部 件 。 在 使 用 过 程 中 , 若 舷 侧 舌 阀 的强 度 或 刚 度 出 现 问 题 , 将 会 导 致 系 统 流 体 渗 漏 等 严重 事 故 。 阀 体 是 舷 侧 舌 阀 受 力 和 承 载 的 核 心 零 件 。采 用 有 限 元 数 值 分 析 方 法 , 对 阀 体 在 不 同 工 作 状 态下 的 力 学 行 为 进 行 分 析 , 判 断 其 受 力 集 中 部 位 和 薄弱 环 节 , 并 对 应 力 集 中 严 重 的 局 部 进 行 改 进 , 对 于改 善 舷 侧 舌 阀 的 工 作 性 能 和 提 高 设 计 的 可 靠 性 具 有重 要 意 义 。 有 限 元 数 值 分 析 方 法 ( Finite ElementMethod / Finite Element Analysis , 简 称 FEM/ FEA)是 现 行 国 际 上 大 型 高 耸 建 筑 、 水 下 潜 艇 和 宇 航 飞 船等 重 要 工 程 结 构 强 度 分 析 与 安 全 性 评 价 的 通 用 数 学手 段 1 - 3 。2 结 构 特 点527WS - 1 型 舷 侧 舌 阀 是 一 种 手 动 控 制 的 机 械式 旋 塞 阀 , 具 有 环 境 介 质 的 反 向 止 回 功 能 , 工 作 压力 为 10MPa。 阀 门 在 管 道 上 主 要 作 切 断 用 , 通 常处 于 关 闭 状 态 或 开 启 状 态 。 另 外 , 阀 在 性 能 指 标 检验 时 需 承 受 紧 密 性 压 力 试 验 的 非 工 作 状 态 。图 1 为 527WS - 1 型 舷 侧 舌 阀 阀 体 的 基 本 形状 , 其 主 体 部 分 系 由 两 个 斜 交 的 中 空 圆 柱 体 构 成 。23 阀 门 2008 年 第 3 期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nts阀 体 材 料 为 ZCuAl18Mn13Fe3Ni2 , 抗 拉 强 度 极 限 b = 645MPa , 抗 压 强 度 极 限 s = 280MPa , 适 用于 淡 水 、 海 水 及 油 品 等 介 质 , 满 足 GB 600 - 91 验收 技 术 条 件 。图 1 舌 阀 阀 体 结 构 模 型3 阀 体 建 模在 舌 阀 阀 体 的 有 限 元 分 析 过 程 中 , 采 用 Pro -E 软 件 制 作 三 维 实 体 模 型 , 把 ANSYS 软 件 集 成 在Pro - E 软 件 中 , 可 从 实 体 模 型 直 接 进 入 应 力 分 析状 态 , 实 现 了 软 件 之 间 的 无 缝 连 接 4 。在 ANSYS 数 值 分 析 中 , 几 何 模 型 的 精 度 十 分重 要 。 由 于 阀 门 中 的 阀 体 零 件 的 形 状 比 较 复 杂 (如圆 角 、 连 接 孔 等 ) , 不 论 是 自 顶 向 下 的 布 尔 运 算 还是 自 底 向 上 的 建 模 方 法 都 难 以 实 现 , 所 以 采 用 了 在Pro - E 中 创 建 舌 阀 阀 体 的 真 实 形 体 几 何 模 型 , 然后 将 模 型 导 入 ANSYS 中 进 行 有 限 元 分 析 。 由 于ANSYS 是 直 接 集 成 在 Pro - E 之 中 , 几 何 模 型 向 分析 模 型 的 转 换 过 程 是 在 不 脱 离 Pro - E 和 ANSYS这 两 个 软 件 的 环 境 下 交 互 进 行 , 从 而 实 现 了 软 件 间的 无 缝 连 接 , 真 正 做 到 了 CAD/ CAE 技 术 一 体 化 。311 三 维 模 型 的 建 立按 照 舌 阀 设 计 图 纸 , 用 Pro/ E 完 成 阀 体 主 体 部份 的 三 维 造 型 (图 2) 。 由 于 阀 体 的 物 理 形 状 、 材料 和 载 荷 等 都 具 有 对 称 性 , 为 了 节 省 计 算 机 资 源 ,同 时 为 了 显 示 阀 体 内 腔 (便 于 后 续 过 程 的 加 载 ) ,将 研 究 对 象 沿 对 称 面 截 取 其 一 半 。312 单 元 类 型 和 材 料 数 据使 用 ANSYS 910 软 件 在 计 算 机 上 做 3 维 线 弹性 静 力 分 析 , 根 据 阀 体 的 结 构 特 点 、 载 荷 类 型 以 及分 析 的 需 要 , 选 择 砖 形 六 面 体 单 元 Solid45 , 此 单元 有 8 个 节 点 。 每 个 节 点 有 3 个 自 由 度 , 可 以 很 好地 描 述 阀 体 的 受 力 和 变 形 情 况 , 计 算 结 果 精 度 高 。ANSYS软 件 所 有 的 分 析 都 要 输 入 材 料 的 物 理 属 性 参数 , 例 如 阀 体 所 采 用 材 料 的 弹 性 模 量 和 泊 松 比 等 。图 2 阀 体 实 体 模 型 ( R 过 渡 圆 角 , R = 5mm)图 3 实 体 模 型 的 网 格 划 分313 网 格 划 分 与 约 束 条 件使 用 网 格 工 具 中 的 Smart Size (智 能 分 网 ) 工具 进 行 分 网 , 并 将 划 分 精 度 定 为 5 , 系 统 将 自 动 根据 阀 体 模 型 的 形 状 和 尺 寸 、 模 型 局 部 的 曲 率 、 线 与线 之 间 的 距 离 以 及 所 设 置 的 精 度 级 别 , 自 动 选 择 合适 的 网 格 密 度 进 行 划 分 (图 3) 。在 载 荷 的 作 用 下 阀 体 的 对 称 面 只 存 在 Y 和 Z方 向 的 变 形 , 所 以 选 择 阀 体 模 型 的 对 称 截 面 , 并 在垂 直 于 纸 面 方 向 的 截 面 上 施 加 X 方 向 的 约 束 。 最后 根 据 舷 侧 舌 阀 的 工 作 原 理 在 图 示 的 位 置 添 加 全 约束 (图 4 和 图 5 , 其 中 只 画 出 了 圆 角 半 径 R5mm 的添 加 约 束 条 件 图 , 其 他 几 个 不 同 圆 角 半 径 的 添 加 约束 条 件 图 与 之 完 全 相 同 ) 。4 阀 体 典 型 状 态 下 的 有 限 元 力 学 分 析411 关 闭 状 态关 闭 状 态 下 阀 体 的 位 移 变 形 和 应 力 分 布 如 图 6332008 年 第 3 期 阀 门 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nts所 示 。412 阀 体 内 壁由 图 2 知 , R 为 阀 体 主 体 结 构 中 两 斜 交 中 空圆 柱 体 内 壁 面 的 过 渡 圆 角 半 径 , 该 半 径 的 大 小 与 两图 4 实 体 模 型 的 约 束 条 件 ( R = 5mm)内 壁 面 连 接 部 位 的 应 力 分 布 情 况 直 接 相 关 。 设 SB为 阀 体 的 壁 厚 , 表 1 列 出 了 舌 阀 处 于 开 启 工 况 时 ,不 同 阀 体 内 壁 相 对 圆 角 半 径 ( R0 = R/ SB) 下 阀 体的 最 大 应 力 值 。图 5 开 启 时 阀 体 载 荷 的 施 加 ( R = 5mm)表 1 阀 体 内 过 渡 圆 角 半 径 与 开 启 工 况 最 大 应 力 值 的 关 系舌 阀 处 于 开 启 工 况阀 体 内 壁 相 对 圆 角 半 径 R 00 015 018 110最 大 应 力 值 (MPa) 2201886 1801419 1701513 1841939相 对 变 化 值 ( %) 1 18132 22180 16127413 开 启 状 态舌 阀 在 开 启 时 的 位 移 变 形 和 应 力 分 布 见 图 7。(a) 应 力 分 布 图 (b) 位 移 变 形 图图 6 舌 阀 在 关 闭 状 态 ( R = 5mm)(a) 阀 体 的 应 力 分 布 图 (b) 阀 体 的 位 移 变 形 图图 7 舌 阀 在 开 启 状 态 ( R = 5mm)43 阀 门 2008 年 第 3 期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nts414 试 压 状 态舌 阀 在 试 压 状 态 时 的 位 移 变 形 和 应 力 分 布 见 图8。5 结 语(1) 舌 阀 在 开 启 状 态 工 作 时 , 阀 体 的 受 力 最大 , 但 最 大 应 力 值 只 为 其 材 料 的 塑 性 强 度 极 限 的65 %。 阀 体 表 面 将 无 塑 性 变 形 出 现 , 满 足 强 度 要求 。 527WS - 1 型 舷 侧 舌 阀 有 2 种 基 本 工 作 状 态(即 关 闭 状 态 和 开 启 状 态 ) 和 1 种 特 殊 状 态 (即 强度 试 验 工 况 ) 。 对 比 图 6a 和 图 7a 可 知 , 在 舌 阀 开启 时 , 阀 体 的 受 力 最 大 。 最 大 应 力 出 现 在 阀 体 内 壁两 接 缝 部 位 的 上 端 局 部 (见 图 7a 中 的 圆 圈 标 记 ) ,但 应 力 集 中 的 区 域 较 小 , 该 处 的 圆 角 半 径 设 计 值 为5mm。 当 内 压 为 10MPa 时 , 应 力 集 中 区 域 的 最 大应 力 值