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基于ANSYSWorkbench液压马达有限元分析

发布于:2021-03-26 00:10

       摆动液压马达又称摆动液压缸,它是液压负载模拟器及飞行姿态仿真转台中最重要的执行元件之一它是输出轴能作往复摆动的液压执行元件,输入量是压力和流量,输出量是转矩和角速度、角位移,旋转角一般小于360°。摆动液压马达最突出的优点是能使负载从直线运动直接获得往复摆动运动,无需任何变速机构。由于能使输出轴在较低的转速下产生很大的扭矩、平稳的角速度、角位移,马达所产生的扭矩与质量和尺寸比值是很高的,可以说摆动液压马达是把压力能转变成转矩最合理和最紧凑的装置。按结构形式分类,摆动液压马达大体可分为叶片式和活塞式两大类。叶片式摆动液压马达以其结构简单,加工制造相对容易,工作可靠等获得到了非常广泛的应用。
       ANSYS Workbench软件是美国某公司开发的新一代协同仿真平台。它提出的背景主要是传统CAD软件在设计研发中的不足,主要由DesignModeler、DesignSimulation、DesignXplorer三个模块组成。集设计、仿真、优化于一体,便于设计人员随时进入不同功能模块之间进行双向参数互动调用,使仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作,极大地提高了设计研发的效率。
       本文以某钢厂使用的叶片式摆动液压马达为对象,利用Pro/E软件对其进行三维建模,并通过程序接口导入ANSYS Workbench软件进行有限元分析,并通过实验验证了马达强度能够满足实际生产的要求,也为马达的使用寿命和安全性实际提供了数值依据。
       图1为叶片摆动液压马达结构简图。整个摆动液压马达主要由花键轴1、前端盖3与后端盖9、缸体6马达的其性能取决于液压油力设计,也与结构设计密切相关,其可靠性设计对整个摆动液压马达的安全运行及使用寿命有着重要影响。因此,对摆动液压马达在工作状态下的应力分析及变形进行研究有重要的应用价值。
       系统刚度是叶片式摆动马达研制过程中面临的主要问题之一。例如马达缸体与花键轴变形大,将有可能导致泄漏加剧,进而降低系统频带和刚性,最终影响马达的容积效率,所以必须对其进行合理选材和结构设计。在材料的选择方面,马达的叶片采用3Cr13,缸体和中花键轴均选用45钢,材料较好的机械性能为马达的刚性提供很好的基础。马达的强度分析的目的是计算马达在工作载荷下的变形、应力分布及最大应力的大小,以检验该马达的设计能否满足现场使用要求。为了能对叶片式摆动液压马达的抗变形能力和强度有一个清晰的认识,利用ANSYS软件的强大结构分析功能对液压马达进行有限元分析。
       摆动马达总成三维实体模型在Pro/E软件中完成,Pro/E软件因其性能优异且易用,极大地提高了机械设计工程师的设计效率和质量。由于模型结构复杂,有必要对其做简化处理,即去掉不影响结果的结构,例如略去倒角。
       网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模大小。一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算规模也会增加,而且网格数量增加到一定程度后对计算精度影响不大,所以网格数量有一定的合理性。借助Workbench自动网格划分功能进行网格划分,并将网格精度设置为高精度。网格划分后的有限元模型共有63565个单元,98274个节点,如图所示。
      ANSYS支持3种接触方式:点-点,点-面,面-面,每种接触方式使用的接触单元都适用于某类问题。此处叶片外表面与缸体内壁、叶片内壁与输出轴表面采用面-面接触的方式。在接触问题中,更重要的是定义主面和从面,一般情况下选择网格较细密的面为从面,如果主从面的网格密度大致相等,那么选择刚度较小的面作为从面。由于叶片输出轴与缸体的网格密度大致相同,但叶片的刚度更大,故选择叶片表面为从面,缸体内壁为主面。
      (1)借助ANSYSWorkbench软件可以清楚地看到摆动液压马达应力和整体位移分布情况,找到了应力主要集中区域以及发生最大变形的位置。计算结果表明:该马达强度满足实际生产要求。
      (2)从马达接触状态图知,该马达机械摩擦损失、马达的启动特性、低速稳定性较好,系统较稳定。
      (3)叶片式摆动液压马达在满载荷作用下有应力集中作用,在静叶片与动叶片的密封槽内及与左右端盖接触的边缘处,为延长摆动液压马达的使用寿命,对危险部位进行一定的工艺处理是必要的。此外,通过实验的分析,验证了有限元方法的准确性,也反映出摆动液压马达在设计中的不足,为摆动液压马达结构设计优化、提高它的性能提供了有利的数值指导。


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