基于 FEA 的单体液压支柱液压缸的寿命优化设计

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－５０９Ｘ．２０１５．０４．００４

基于ＦＥＡ的单体液压支柱液压缸的寿命优化设计

姜　涛，宋道柱，秦斯成，陆兴华

（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州　２２１０１８）

摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ对单体液压支柱液压缸进行有限元分析和寿命优化。以液压缸疲劳寿命最大和使用材料最少为目标函数，并对缸体强度、许用应力、许用壁厚、稳定性进行约束。利用ＬＩＮＧＯ软件进行优化求解，得到优化后尺寸。结果表明，缸体能承受的最大载荷值、剩余寿命均有所增加而破损量减小，达到了优化的目的。

关键词：单体液压支柱；液压缸；寿命优化；有限元分析

中图分类号：Ｆ４０７．４４ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５－５０９Ｘ（２０１５）０４－００１３－０４ 单体液压支柱是一种支护装置，广泛用于矿井等地下空间的安全支护。单体液压支柱体积小，支承力较大，长期工作在外载荷大的环境中，因此支柱的使用寿命极为重要。机械的寿命是指在指定的运行状况下，机械可以保证安全运行的剩余时间

［１］

。在整个机构中，任一构件的损坏都将导致

整体寿命的下降。对支柱而言，液压缸是承担外载荷的重要构件之一，也是支柱运动的主要部分，其寿命关系着液压支柱的寿命。

优化理论是运筹学的相关理论

［２－３］

，通过建立

目标函数和一定的约束条件来寻找最佳的设计方案。目标函数为设计的目标，通常是通过设计决策变量，用该决策变量来表示所有的设计方案和相应的约束条件。优化模型经常通过智能算法求解，其核心思想就是通过不断地替换来寻找最佳的设计值

［４］

。文献［５］利用ＭＡＴＬＡＢ作为优化的设计软

件，本文利用专业的优化软件ＬＩＮＧＯ进行大量计算，寻找到最优的性能参数值，包括缸体高度、底圆内径、壁厚、所用材料体积。优化结果对于提高单体液压支柱性能参数具有一定的实际意义。

１　单体液压支柱有限元模型

本文所选用的液压缸型号为ＤＷ３５－３００／１００Ｘ，高度为１８３８ｍｍ，质量为３２ｋｇ，对其进行有

限元分析。

Ｐｒｏ／Ｅ提供了有限元分析模块（ＦＥＡ）。ＦＥＡ

是利用数学逼近的方法对物理系统进行模拟的一种分析方法。在Ｐｒｏ／Ｅ中建好的模型不需要转换格式就可以直接进行有限元分析。单体支柱的液压缸可抽象成具有一定壁厚的空心圆杆，工作温度为常温，一端固定，另一端受轴向载荷，内部受液压力作用，液压缸的材料为２７ＳｉＭｎ，所有材料均产生疲劳破损。设定了温度、材料等参数后，在Ｐｒｏ／Ｅ中进行静态应力分析、稳定性分析和疲劳寿命分析，结果如图１，２

所示。

图１　静态液压缸底部最大受力云图

图１为液压缸缸底静态受力分析的最大受力云图。从图中可以看出，缸体表面已经发生损伤，底部的损伤裂痕较缸体表面更严重，且载荷变化较为迅速，应力较高。图２为稳定性有限元分析云图，液压缸一端发生损坏，在弯曲处附近疲劳损伤

收稿日期：２０１５－０３－１６

基金项目：江苏省前瞻性产学研联合创新资金资助项目（ＢＹ２０１３０２２）；江苏省大学生创新国家级项目（２０１４１１９９８０１７Ｚ）；江苏省大型工程装备检测与控制重点实验室２０１２年开放课题（ＪＳＫＬＥＤＣ２０１２１８）

作者简介：姜涛（１９９４—），男，江苏宿迁人，徐州工程学院本科生，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。

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３１?２０１５年４月 机械设计与制造工程 Ａｐｒ．２０１５第４４卷第４期 ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４