液压机横梁结构分析与优化

米乐

摘 要：液压机的上横梁进行结构分析和优化设计，对横梁的简化模型进行静态有限元计算，并且校核了横梁的强度和刚度。在此基础上，应用ANSYS优化设计模块对横梁进行结构上的调整和优化，降低机身的制造成本，得到了满意的结果。

关键词：液压机；结构；分析；优化；

一、引言

结构优化设计液压机主要由液压缸1，上横梁2，下横梁6，立柱4或者框架等零件组成，其中上下横梁、立柱4或框架为主要受力构件，它们的变形大小及其他特性将直接或间接影响到工件的加工品质。因此必须要对液压机的各构件进行强度和刚度的校核。传统方法将横梁简化成简支梁，采用材料力学简化计算求得横梁刚度和强度，但这种设计方法存在着设计周期长，结构不考虑梁的截面特性，使用材料偏保守导致材料的浪费等弊端。而有限单元法（FEM）是一种对弹性力学问题提供切实易行的近似解的重要方法，它的出现为大型复杂结构的结构分析提供了一种强有力的、精确的分析手段，在液壓机的整体以及主要零部件的设计中已经成为了必不可少的重要工具。

所讨论的某型号三梁八柱式液压机，其公称力为22MN，开口行程1m。通过应用通用有限元分析软件ANSYS，对该液压机的上横梁进行参数化建模，在校核横梁强度和刚度的基础上找出应力应变的分布规律，并且对横梁进行优化设计，以达到尽可能减轻横梁质量的目的。

二、上横梁结构优化

1、机架结构调整从上述静力学分析中可以看出，梁的刚度足够，但从强度上来看局部应力较大，整体而言应力比较小，还有很多可以优化的盈余范围。其中最高应力出现在法兰盘与横梁接触的环形部位，此处主要是因为接触面积比较小，而3个液压缸产生的反作用力都加载这3个面上，因此产生的应力比较大。然而此处已经布置了加强筋，如果增加加强筋的厚度将可能与液压缸相干涉，因此为了解决应力集中问题，可以适当的增大法兰盘与横梁的接触面积，选用大口径的法兰盘。通过计算得到选择外径为550mm的法兰盘时其最高应力已经降到174MPa，而且最高应力已经从环形区域转移到立柱与横梁相连接的螺栓接触面，为解决此处的应力集中问题，可以在此处加支撑板，以增加此结构的强度，筋板厚度10mm。同时在此基础上可以对横梁内部其他各筋板的厚度进行优化。

2、优化方法简述及优化结果分析零阶优化算法（sub-problem）又称子问题近似结构优化算法。该方法仅使用状态变量和目标变量的逼近，而不使用它们的梯度。实质是采用最小二乘法逼近，求取一个函数面来拟合解空间，然后对该函数面求极值。程序用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系，通过用几个设计变量序列（可以用户指定也可以程序随机产生）计算目标函数然后求得各数据点间最小平方实现的，即采用序列二次规划法进行优化。序列二次规划法综合了最优梯度法、拟牛顿法、Powell共扼梯度法以及BFGS变尺寸法的优点，它被认为是求解光滑的非线性规划问题的最好算法。每次优化循环生成一个新的数据点，目标函数就完成一次更新。这是一种普适的优化方法，不容易陷入局部极值点，可以有效地处理该问题。

三、液压机上横梁结构有限元分析

1、有限元模型的建立与载荷的施加；

上横梁由Q 235钢板焊接而成，做成箱体结构，内部则对称布有筋板。其外部尺寸为6 000mm × 2 290mm ×850mm，总质量23 200kg。中间的3个大孔固定着3个液压缸，横梁通过周边的8根立柱与下横梁相连接，梁柱之间通过螺栓联接。由于上横梁的机体结构以及载荷分布都是对称于纵向和横向的中间平面，因此可以取横梁的1/4机体进行有限元分析，并且对模型进行必要的简化如略去不影响计算的小孔、圆角等等。在计算时认为焊接品质是可靠的，即把整个机体都看作是连续体，采用187号单元进行自动划分网格，节点总数为81 914，单元总数为41 492。Q 235有较好的韧性和塑性。横梁的受力比较复杂，当偏载工作时立柱要承受弯矩作用，这里只讨论横梁仅受中心载荷作用时的受力情况以使后文中讨论的优化设计能够顺利进行下去，而偏载情况则可以通过适当放大公称力以抵消其影响。上横梁主要受到4个力的作用，分别是：

（1）液压缸对上横梁的作用力。大小为7.35MN× 3，方向向上，作用在液压缸固定的3个环形区域。

（2）液压缸的重力。大小为74 800N× 3，作用在上表面的环形区域。

（3）立柱对上横梁的拉力。大小为2.7MN × 8，方向向下，均布作用在横梁与立柱连接处。

（4））横梁自重。考虑到横梁较重，因此将其自重作为载荷施加在机体上，大小为0.232MN，可看成是等份作用在3个环面上。边界条件则根据对称性在两个对称表面施加对称约束，在横梁的上表面螺栓固定处施加z方向的约束，而在下板与立柱接触处施加机体的x，y方向约束，以限制其前后左右移动。

2、静力学分析结果；

从计算的结果来看，横梁的主要形变发生在3个液压缸固定的法兰盘与横梁相接触的环形区域，整体的位移为0.683mm，随着位置越来越远离液压缸，变形也越来越小，这从整体变形上的灰色渐变可以看出来，最小值发生在横梁的角点位置。通过分析横梁的x，y，z方向的应变云来看，其形变主要是集中在z方向，达到0.675mm，这个值几乎等于整体的变形数值。而x，y方向的变形都是0.129mm，相对来说变很小，这和实际估计也是一致的。因为横梁的最大变形为0.683mm，其值也是仅仅是固定液压缸处的局部变形，可以认为整个横梁的最大挠度为0.683mm，跨度为6m，相对挠度为0.114mm/m，一般认为梁的安全相对挠度为0.15mm/m，因此认为该梁的刚度是满足使用要求的。

强度校核按照第四强度理论，以VonMises应力作为参考值。可以看出，横梁绝大部分位置的应力都小于108MPa，但在固定液压缸的环形区域应力比较大，最高值达到了194MPa，在立柱与横梁的连接部位也出现了170MPa左右的集中应力。根据Q 235钢的屈服强度为235MPa，取安全系数为1.5，则梁的许用应力为[σ]= 157MPa，显然环形区域处的应力值较大，应力相对比较集中，在设计时候应当引起注意。

四、结语

运用有限元分析和优化技术对某型号液压机机身上横梁的强度、刚度进行校核。在此基础上，修改了结构的不合理之处，并且对内部主要筋板厚度进行了优化，在满足强度和刚度的条件下使应力应变分布更加合理，亦降低了横梁质量，从而为企业节省了原材料，取得了很好的经济效益。

（作者单位：1.长江大学 2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司塔里木物探处）