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        基于ANSYSWorkbench液壓馬達有限元分析

        發布于:2021-03-26 00:10

               擺動液壓馬達又稱擺動液壓缸,它是液壓負載模擬器及飛行姿態仿真轉臺中最重要的執行元件之一它是輸出軸能作往復擺動的液壓執行元件,輸入量是壓力和流量,輸出量是轉矩和角速度、角位移,旋轉角一般小于360°。擺動液壓馬達最突出的優點是能使負載從直線運動直接獲得往復擺動運動,無需任何變速機構。由于能使輸出軸在較低的轉速下產生很大的扭矩、平穩的角速度、角位移,馬達所產生的扭矩與質量和尺寸比值是很高的,可以說擺動液壓馬達是把壓力能轉變成轉矩最合理和最緊湊的裝置。按結構形式分類,擺動液壓馬達大體可分為葉片式和活塞式兩大類。葉片式擺動液壓馬達以其結構簡單,加工制造相對容易,工作可靠等獲得到了非常廣泛的應用。
               ANSYS Workbench軟件是美國某公司開發的新一代協同仿真平臺。它提出的背景主要是傳統CAD軟件在設計研發中的不足,主要由DesignModeler、DesignSimulation、DesignXplorer三個模塊組成。集設計、仿真、優化于一體,便于設計人員隨時進入不同功能模塊之間進行雙向參數互動調用,使仿真相關的人、部門、技術及數據在統一環境中協同工作,極大地提高了設計研發的效率。
               本文以某鋼廠使用的葉片式擺動液壓馬達為對象,利用Pro/E軟件對其進行三維建模,并通過程序接口導入ANSYS Workbench軟件進行有限元分析,并通過實驗驗證了馬達強度能夠滿足實際生產的要求,也為馬達的使用壽命和安全性實際提供了數值依據。
               圖1為葉片擺動液壓馬達結構簡圖。整個擺動液壓馬達主要由花鍵軸1、前端蓋3與后端蓋9、缸體6馬達的其性能取決于液壓油力設計,也與結構設計密切相關,其可靠性設計對整個擺動液壓馬達的安全運行及使用壽命有著重要影響。因此,對擺動液壓馬達在工作狀態下的應力分析及變形進行研究有重要的應用價值。
               系統剛度是葉片式擺動馬達研制過程中面臨的主要問題之一。例如馬達缸體與花鍵軸變形大,將有可能導致泄漏加劇,進而降低系統頻帶和剛性,最終影響馬達的容積效率,所以必須對其進行合理選材和結構設計。在材料的選擇方面,馬達的葉片采用3Cr13,缸體和中花鍵軸均選用45鋼,材料較好的機械性能為馬達的剛性提供很好的基礎。馬達的強度分析的目的是計算馬達在工作載荷下的變形、應力分布及最大應力的大小,以檢驗該馬達的設計能否滿足現場使用要求。為了能對葉片式擺動液壓馬達的抗變形能力和強度有一個清晰的認識,利用ANSYS軟件的強大結構分析功能對液壓馬達進行有限元分析。
               擺動馬達總成三維實體模型在Pro/E軟件中完成,Pro/E軟件因其性能優異且易用,極大地提高了機械設計工程師的設計效率和質量。由于模型結構復雜,有必要對其做簡化處理,即去掉不影響結果的結構,例如略去倒角。
               網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模大小。一般來講,網格數量增加,計算精度會有所提高,但同時計算規模也會增加,而且網格數量增加到一定程度后對計算精度影響不大,所以網格數量有一定的合理性。借助Workbench自動網格劃分功能進行網格劃分,并將網格精度設置為高精度。網格劃分后的有限元模型共有63565個單元,98274個節點,如圖所示。
              ANSYS支持3種接觸方式:點-點,點-面,面-面,每種接觸方式使用的接觸單元都適用于某類問題。此處葉片外表面與缸體內壁、葉片內壁與輸出軸表面采用面-面接觸的方式。在接觸問題中,更重要的是定義主面和從面,一般情況下選擇網格較細密的面為從面,如果主從面的網格密度大致相等,那么選擇剛度較小的面作為從面。由于葉片輸出軸與缸體的網格密度大致相同,但葉片的剛度更大,故選擇葉片表面為從面,缸體內壁為主面。
              (1)借助ANSYSWorkbench軟件可以清楚地看到擺動液壓馬達應力和整體位移分布情況,找到了應力主要集中區域以及發生最大變形的位置。計算結果表明:該馬達強度滿足實際生產要求。
              (2)從馬達接觸狀態圖知,該馬達機械摩擦損失、馬達的啟動特性、低速穩定性較好,系統較穩定。
              (3)葉片式擺動液壓馬達在滿載荷作用下有應力集中作用,在靜葉片與動葉片的密封槽內及與左右端蓋接觸的邊緣處,為延長擺動液壓馬達的使用壽命,對危險部位進行一定的工藝處理是必要的。此外,通過實驗的分析,驗證了有限元方法的準確性,也反映出擺動液壓馬達在設計中的不足,為擺動液壓馬達結構設計優化、提高它的性能提供了有利的數值指導。


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