液壓機橫梁結構分析與優化

米樂

摘 要：液壓機的上橫梁進行結構分析和優化設計，對橫梁的簡化模型進行靜態有限元計算，并且校核了橫梁的強度和剛度。在此基礎上，應用ANSYS優化設計模塊對橫梁進行結構上的調整和優化，降低機身的制造成本，得到了滿意的結果。

關鍵詞：液壓機；結構；分析；優化；

一、引言

結構優化設計液壓機主要由液壓缸1，上橫梁2，下橫梁6，立柱4或者框架等零件組成，其中上下橫梁、立柱4或框架為主要受力構件，它們的變形大小及其他特性將直接或間接影響到工件的加工品質。因此必須要對液壓機的各構件進行強度和剛度的校核。傳統方法將橫梁簡化成簡支梁，采用材料力學簡化計算求得橫梁剛度和強度，但這種設計方法存在著設計周期長，結構不考慮梁的截面特性，使用材料偏保守導致材料的浪費等弊端。而有限單元法（FEM）是一種對彈性力學問題提供切實易行的近似解的重要方法，它的出現為大型復雜結構的結構分析提供了一種強有力的、精確的分析手段，在液壓機的整體以及主要零部件的設計中已經成為了必不可少的重要工具。

所討論的某型號三梁八柱式液壓機，其公稱力為22MN，開口行程1m。通過應用通用有限元分析軟件ANSYS，對該液壓機的上橫梁進行參數化建模，在校核橫梁強度和剛度的基礎上找出應力應變的分布規律，并且對橫梁進行優化設計，以達到盡可能減輕橫梁質量的目的。

二、上橫梁結構優化

1、機架結構調整從上述靜力學分析中可以看出，梁的剛度足夠，但從強度上來看局部應力較大，整體而言應力比較小，還有很多可以優化的盈余范圍。其中最高應力出現在法蘭盤與橫梁接觸的環形部位，此處主要是因為接觸面積比較小，而3個液壓缸產生的反作用力都加載這3個面上，因此產生的應力比較大。然而此處已經布置了加強筋，如果增加加強筋的厚度將可能與液壓缸相干涉，因此為了解決應力集中問題，可以適當的增大法蘭盤與橫梁的接觸面積，選用大口徑的法蘭盤。通過計算得到選擇外徑為550mm的法蘭盤時其最高應力已經降到174MPa，而且最高應力已經從環形區域轉移到立柱與橫梁相連接的螺栓接觸面，為解決此處的應力集中問題，可以在此處加支撐板，以增加此結構的強度，筋板厚度10mm。同時在此基礎上可以對橫梁內部其他各筋板的厚度進行優化。

2、優化方法簡述及優化結果分析零階優化算法（sub-problem）又稱子問題近似結構優化算法。該方法僅使用狀態變量和目標變量的逼近，而不使用它們的梯度。實質是采用最小二乘法逼近，求取一個函數面來擬合解空間，然后對該函數面求極值。程序用曲線擬合來建立目標函數和設計變量之間的關系，通過用幾個設計變量序列（可以用戶指定也可以程序隨機產生）計算目標函數然后求得各數據點間最小平方實現的，即采用序列二次規劃法進行優化。序列二次規劃法綜合了最優梯度法、擬牛頓法、Powell共扼梯度法以及BFGS變尺寸法的優點，它被認為是求解光滑的非線性規劃問題的最好算法。每次優化循環生成一個新的數據點，目標函數就完成一次更新。這是一種普適的優化方法，不容易陷入局部極值點，可以有效地處理該問題。

三、液壓機上橫梁結構有限元分析

1、有限元模型的建立與載荷的施加；

上橫梁由Q 235鋼板焊接而成，做成箱體結構，內部則對稱布有筋板。其外部尺寸為6 000mm × 2 290mm ×850mm，總質量23 200kg。中間的3個大孔固定著3個液壓缸，橫梁通過周邊的8根立柱與下橫梁相連接，梁柱之間通過螺栓聯接。由于上橫梁的機體結構以及載荷分布都是對稱于縱向和橫向的中間平面，因此可以取橫梁的1/4機體進行有限元分析，并且對模型進行必要的簡化如略去不影響計算的小孔、圓角等等。在計算時認為焊接品質是可靠的，即把整個機體都看作是連續體，采用187號單元進行自動劃分網格，節點總數為81 914，單元總數為41 492。Q 235有較好的韌性和塑性。橫梁的受力比較復雜，當偏載工作時立柱要承受彎矩作用，這里只討論橫梁僅受中心載荷作用時的受力情況以使后文中討論的優化設計能夠順利進行下去，而偏載情況則可以通過適當放大公稱力以抵消其影響。上橫梁主要受到4個力的作用，分別是：

（1）液壓缸對上橫梁的作用力。大小為7.35MN× 3，方向向上，作用在液壓缸固定的3個環形區域。

（2）液壓缸的重力。大小為74 800N× 3，作用在上表面的環形區域。

（3）立柱對上橫梁的拉力。大小為2.7MN × 8，方向向下，均布作用在橫梁與立柱連接處。

（4））橫梁自重。考慮到橫梁較重，因此將其自重作為載荷施加在機體上，大小為0.232MN，可看成是等份作用在3個環面上。邊界條件則根據對稱性在兩個對稱表面施加對稱約束，在橫梁的上表面螺栓固定處施加z方向的約束，而在下板與立柱接觸處施加機體的x，y方向約束，以限制其前后左右移動。

2、靜力學分析結果；

從計算的結果來看，橫梁的主要形變發生在3個液壓缸固定的法蘭盤與橫梁相接觸的環形區域，整體的位移為0.683mm，隨著位置越來越遠離液壓缸，變形也越來越小，這從整體變形上的灰色漸變可以看出來，最小值發生在橫梁的角點位置。通過分析橫梁的x，y，z方向的應變云來看，其形變主要是集中在z方向，達到0.675mm，這個值幾乎等于整體的變形數值。而x，y方向的變形都是0.129mm，相對來說變很小，這和實際估計也是一致的。因為橫梁的最大變形為0.683mm，其值也是僅僅是固定液壓缸處的局部變形，可以認為整個橫梁的最大撓度為0.683mm，跨度為6m，相對撓度為0.114mm/m，一般認為梁的安全相對撓度為0.15mm/m，因此認為該梁的剛度是滿足使用要求的。

強度校核按照第四強度理論，以VonMises應力作為參考值?？梢钥闯觯瑱M梁絕大部分位置的應力都小于108MPa，但在固定液壓缸的環形區域應力比較大，最高值達到了194MPa，在立柱與橫梁的連接部位也出現了170MPa左右的集中應力。根據Q 235鋼的屈服強度為235MPa，取安全系數為1.5，則梁的許用應力為[σ]= 157MPa，顯然環形區域處的應力值較大，應力相對比較集中，在設計時候應當引起注意。

四、結語

運用有限元分析和優化技術對某型號液壓機機身上橫梁的強度、剛度進行校核。在此基礎上，修改了結構的不合理之處，并且對內部主要筋板厚度進行了優化，在滿足強度和剛度的條件下使應力應變分布更加合理，亦降低了橫梁質量，從而為企業節省了原材料，取得了很好的經濟效益。

（作者單位：1.長江大學 2.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司塔里木物探處）