400 t金屬打包機液壓缸數值分析與優化設計

李響，魏厚先，陳永清*,,，唐善杰，張友鋒

400 t金屬打包機液壓缸數值分析與優化設計

李響1，魏厚先2，陳永清*,1,2，唐善杰3，張友鋒2

（1.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；3.湖北力帝機床股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

金屬打包機液壓缸在工作狀態下往往會受到高壓載荷作用，其應力集中區域主要分布在液壓缸缸筒和方法蘭的連接處。研究利用有限元數值模擬技術對400 t液壓缸在工作狀態下缸筒和方法蘭連接處的受力情況進行了仿真模擬，具體分析了焊接加強筋、焊接加強筋半徑、方法蘭厚度以及焊縫寬度對液壓缸強度的影響，最后通過理論分析和數據擬合得出較為合理的結構與尺寸。分析結果顯示，液壓缸與方法蘭連接處添加焊接加強筋，焊接加強筋的半徑為50 mm為宜，方法蘭厚度為170 mm，焊縫的寬度為50 mm，這樣得出的400 t液壓缸整體結構更為穩定。

400 t液壓缸；數值模擬；焊接加強筋；方法蘭；焊縫寬度

液壓缸作為金屬打包機主體結構，在工作狀態下經常會受到多個方向的高壓載荷沖擊作用，工程應用發現，液壓缸破壞區域往往出現在液壓缸缸筒和方法蘭連接處，連接處強度[1-4]會直接影響到金屬打包機的性能和壽命。因此，對該連接處進行合理的優化設計具有十分重要的意義。在過去的時間里，針對液壓缸的工作受力情況與優化設計，國內專家和學者展開了廣泛的研究。陳志勇、樊志新[5]針對60 t銅排拉拔機液壓缸進行了設計與分析；張曉鴻、李玲[6]對雙活塞組合液壓缸系統進行建模與仿真，分析其動態性能；柏艷紅、權龍等[7]對流量近似的閥控液壓缸進行動力機構建模；郝前華、何清華、賀繼林等[8]對非對稱液壓缸的動態特性進行了仿真研究；高欽和、郭曉松[9]建立了多級液壓缸系統的仿真模型并進行分析；王林鴻、吳波等[10]詳細分析了液壓缸運動的非線性動態特征。本文利用有限元數值模擬技術對400 t金屬打包機液壓缸在工作狀態下的受力進行了模擬仿真，分析了多重因素對液壓缸連接處結構強度的影響，通過理論分析和數據擬合得出較為合理的結構和尺寸，有望為液壓缸的優化設計提供一定參考。

1 400 t液壓缸主缸體基本結構

基本結構如圖1所示，方法蘭和液壓缸主缸體間采用焊接連接方式，四條肋板分布在45°對角邊上，并且缸體與方法蘭圓弧處采用焊接加強筋進行加固，其具體結構如圖2所示。

2 焊接加強筋對結構強度的影響

2.1 建立三維模型

（1）400 t液壓缸嚴格按照圖紙尺寸，考慮方法蘭中的焊縫，且缸筒與方法蘭間加有焊接加強筋。其具體結構如圖3所示。

（2）400 t液壓缸不考慮焊縫，方法蘭、缸筒與肋板三者均直接綁定，等效為一整體進行仿真分析。其具體結構如圖4所示。

圖1 400 t液壓缸整體結構

圖2 局部放大圖

圖3 焊接加強筋

圖4 未添加焊接加強筋

2.2 仿真結果

使用Workbench有限元軟件對上述兩種結構進行仿真分析。為使結果更加精確，仿真過程中采用均勻細化網格，如圖5、圖6所示。載荷加載位置為方法蘭兩端；載荷大小均為4.13×106N；缸筒底部采用完全固定約束。

仿真結果如圖7～圖10所示。

圖5 有焊接件網格劃分圖

圖6 未添加焊接件網格劃分圖

圖7 有焊接件的等效應力云圖（最大等效應力279.78 MPa）

2.3 結果分析

（1）兩組仿真結果表明，未添加焊接加強筋的液壓缸在工況下最大等效應力為717.86 MPa，有焊接件焊接的液壓缸在工況下的最大等效應力為279.78 MPa。兩者相差較大，表明焊縫與焊接加強筋對液壓缸結構強度的提升具有很明顯的作用。

（2）三個方向的等效應力云圖表明，最大等效應力主要表現在拉壓方向（方向：沿缸筒長度方向）。未添加焊接加強筋的液壓缸三個方向應力相差較大，方向有最大值，有焊接加強筋的液壓缸三個方向的應力相對均勻。兩組仿真的最大等效應力區域均出現在缸筒與方法蘭接觸處，表明焊縫與焊接加強筋極大程度地減少液壓缸在工作狀況下應力集中現象。

圖8 有焊接件的X、Y、Z方向等效應力云圖

圖9 未添加焊接件的等效應力云圖（最大等效應力717.86 MPa）

3 具有焊接加強筋的400 t液壓缸仿真分析

3.1 400 t液壓缸仿真建模、材料及載荷

模型如圖11所示。缸體、方法蘭材料均選用Q235鋼，其各項性能參數為：抗拉強度400 MPa，屈服強度235 MPa，楊氏模量200 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3。

基于狀態感知的電力通信設備自動巡檢，以基于狀態感知的壽命預測技術擴展前期項目中設備健康度的內涵，豐富事前預警能力；以基于狀態感知的故障定位和診斷技術進一步提升前期工作中資源調配分析技術的外延，加強事中處理能力；以基于狀態感知的可靠性評估技術補充前期工作中后評估的缺失，完善事后優化能力；以基于全景監測數據實現的自動巡檢技術實現通信運維事前事中事后的溝通，完成閉環管理，指導日常運維工作，提升電力通信運維的智能化、自動化水平。基于狀態感知的電力通信設備自動巡檢研究邏輯關系，如圖2所示。

圖10 未添加焊接件的X、Y、Z方向等效應力云圖

圖11 400 t金屬打包液壓機主缸有限元模型

已知活塞桿工作壓強為26 MPa，活塞桿缸內工作截面積由圖紙計算得0.159 m2，計算得出活塞桿工作時產生的工作壓力為4.13×106N，水平方向向左。方法蘭上載荷施加區域如圖12所示。圖11、圖12中箭頭方向為載荷加載方向。

為使仿真計算效率最大化，用Workbench軟件進行仿真前處理中，方法蘭及缸體網格大小取為30 mm，如圖13所示；其余焊縫、加強筋等部位網格大小取10 mm，如圖14所示；整體網格劃分如圖15所示。

圖12 載荷加載方向及區域

圖13 截30 mm網格區域（缸體部分）

圖14 10 mm網格區域

圖15 X方向整體網格劃分

3.2 400 t液壓缸仿真結果分析

分別改變方法蘭厚度、焊接加強筋半徑兩個變量，如圖16、圖17所示，對400 t金屬液壓打包機主缸在工作狀況下變形及應力分布情況進行數值模擬分析。

表1和圖18仿真結果顯示，方法蘭厚度在130～150 mm區間內對金屬打包液壓機主缸結構強度影響較小；焊接加強筋加粗后，主缸結構強度得到明顯改善。焊接加強筋達到50 mm與未加焊接加強筋兩組數據對比，最大等效應力平均減少100 MPa。

圖16 改變加強筋半徑

表1 最大等效應力仿真結果

固定焊接加強筋加粗50 mm不變，將方法蘭厚度在130～200 mm范圍內變化，方法蘭材料取為Q235鋼進行仿真分析。最大等效應力仿真結果如圖19所示。

圖17 改變方法蘭厚度

圖18 最大等效應力仿真結果

圖19 方法蘭材料為Q235鋼仿真結果及擬合曲線

將仿真結果數據導入MATLAB軟件進行數據擬合，得出最大等效應力關于方法蘭厚度的擬合方程為：

式中：為自變量方法蘭厚度，其方程確定系數為0.9326，該系數越接近1，表明方程的變量對的解釋能力越強，均方根誤差9.695。

從圖19可明顯看出方法蘭對最大等效應力的影響：

（1）方法蘭從130 mm逐漸增加到170 mm的過程中，最大等效應力大幅度減小，說明方法蘭在增大過程中，有效減少了缸體應力集中，從而使缸體結構更加穩定；

（2）方法蘭從170 mm逐漸增加到200 mm的過程中，最大等效應力減小的速率減緩，說明通過改變方法蘭厚度來減少應力集中已經達到一個飽和值。

4 考慮焊縫的400 t液壓缸打包機仿真對比

前期仿真中，將焊縫焊接完成后的材料屬性等效為母材的材料屬性（楊氏模量200 GPa、泊松比0.3），焊縫尺寸均按圖紙所示進行建模（如圖20所示為焊縫在方法蘭內部截面圖，焊縫寬度為50 mm）。

液壓缸在工況下仿真結果如圖21所示，其最大等效應力為279.78 MPa，最大等效應力位置處于方法蘭與缸筒連接處。

圖20 焊縫在方法蘭內部截面圖

圖21 焊縫材料等效母材工況下仿真結果（最大等效應力279.78 MPa）

將整個模型導入專業焊接軟件Simufact Welding中，設置焊縫空隙，按圖紙設置母材Q235，添加焊接材料（焊條J422、焊絲BR50-6-1.2），仿真計算得出焊縫的應力應變場，從而計算出焊縫材料的楊氏模量130 GPa、泊松比0.3。將材料參數導入Workbench，仿真結果如圖22所示，最大等效應力215.82 MPa。

圖22 等效應力仿真結果（添加焊接材料屬性后）

將焊縫寬度更改為50 mm、60 mm與70 mm進行三組仿真，研究焊縫寬度對液壓缸整體結構強度的影響（如圖23～圖25所示）。最大等效應力仿真結果如表2所示。

圖23 不同焊縫寬度（60 mm、70 mm）

圖24 60 mm焊縫仿真等效應力云圖（最大等效應力216.82 MPa）

表2 更改焊縫寬度后最大等效應力仿真結果

由以上分析可得如下結論：使用Simufact Welding軟件對該模型焊接情況下的焊縫進行仿真，得出其應力應變場，計算其焊縫材料參數，在Workbench內建立焊縫材料參數，進行工況下仿真分析。該方法下仿真分析結果，最大等效應力279.78 MPa相比將焊縫等效母材的仿真最大等效應力215.82 MPa減少63.96 MPa。

圖25 70 mm焊縫仿真等效應力云圖（最大等效應力217.66 MPa）

Workbench仿真結果顯示，改變焊縫寬度對液壓缸工況下最大等效應力影響不大。在Workbench仿真中，焊縫、方法蘭與缸筒三者間的連接均采用綁定接觸，僅從結構方面考慮焊縫寬度對液壓缸結構強度的影響不大，需采用更為專業的焊接仿真軟件（加入焊接過程）進行分析。在實際的焊接加工過程中，焊縫預留角度、弧度、焊接方式、焊材、人為操作等因素對焊縫材料參數的影響極大。

5 結論

運用有限元軟件對400 t液壓缸進行了有限元數值模擬，具體分析了焊接加強筋、焊接加強筋半徑、方法蘭厚度以及焊縫寬度對液壓缸強度的影響，最終得到如下結論：

（1）未添加焊接件和添加了焊接加強筋的液壓缸在工況下最大等效應力相差較大，表明焊縫與焊接加強筋大大加強了液壓缸的整體結構強度；且焊縫與焊接加強筋極大程度地減少了液壓缸工況下應力集中的現象。

（2）焊接加強筋加粗后，主缸結構強度得到明顯改善。焊接加強筋達到50 mm與未加焊接加強筋兩組數據對比，最大等效應力平均減少100 MPa。方法蘭厚度從130 mm逐漸增加到170 mm的過程中，最大等效應力大幅度減小，有效減少了缸體應力集中，從而使缸體結構更加穩定；方法蘭厚度繼續增大，最大等效應力減小的速率減緩，說明最大等效應力已經達到飽和值。

（3）改變焊縫寬度，對液壓缸結構強度影響不大。

（4）液壓缸與方法蘭連接處添加焊接加強筋，焊接加強筋的半徑取50 mm為宜。方法蘭厚度170 mm、焊縫寬度50 mm，這樣得出的400 t液壓缸整體結構更為穩定。

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Numerical Analysis and Optimization Design of Hydraulic Cylinder of 400 t Metal Baler

LI Xiang1，WEI Houxian2，CHEN Yongqing1,2，TANG Shanjie3，ZHANG Youfeng2

( 1.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance, Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.School of Machinery and Power, Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3.Hubei Lidi Machine Tool Co., Ltd., Yichang 443002, China )

Hydraulic cylinder of metal baler is often subjected to high pressure load under working condition, and its stress concentration areas are mainly distributed at the junction of the cylinder barrel and the flange. In this study, the finite element numerical simulation technology is used to simulate the stress on the junction of cylinder barrel and the flange of 400 t hydraulic cylinder under working condition. And the influence of welding reinforcement, the radius of welding reinforcement, the thickness of the flange and the width of the weld seam on the strength of hydraulic cylinder are analyzed in detail. Finally, the reasonable structure and size are obtained through theoretical analysis and data fitting. The analysis results show that when the radius of the welding reinforcement is 50 mm, the thickness of the flange is 170 mm, and the width of the welding seam is 50 mm, the overall structure of the 400 t hydraulic cylinder is more stable after adding the welding reinforcement to the junction of the hydraulic cylinder and the flange.

400 t hydraulic cylinder；numerical simulation；welding reinforcement；flange；weld width

TH137.51

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.002

1006－0316 (2020) 03－0007－07

2019－09－25

國家自然科學基金資助項目（51305232）；湖北省教育廳科學技術研究計劃重點項目（D20181206）；水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室開放基金資助項目（2017KJX04）

李響（1979－），男，湖北武漢人，博士，副教授、碩士生導師，主要研究方向為夾層結構設計與優化、結構輕量化設計、數值模擬技術、結構強度與可靠性等。

陳永清（1965－），男，湖北麻城人，工學碩士，副教授、碩士生導師，主要研究方向為工程施工特種工程機械的設計、水電施工專業設備的設計、進口工程機械配件的國產化技術等，E-mail：451976900@qq.com；cyq@ctgu.edu.cn