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轴向柱塞泵缸体的有限元分析
轴向柱塞泵缸体的有限元分析
摘要：
随着液压传动与控制技术的不断发展，对轴向柱塞泵的性能提出了更高的要求。
为研究、设计和开发高性能的轴向柱塞泵，单纯运用传统的物理实验法，费工费时，变更参数或条件困难，有时甚至无法实现。
本论文对轴向柱塞泵缸体进行有限元分析，为柱塞泵的设计提供理论基础。
论文对轴向柱塞泵的结构和工作原理，Pro/E、ANSYS等软件相关知识进行了分析。
在Pro/E中建立了SCY14-1B轴向柱塞泵缸体的三维模型，对Pro/E和ANSYS的接口进行了分析讨论，选择较好的文件格式传输，完成SCY14-1B轴向柱塞泵几何模型的建立；用有限元分析软件ANSYS对SCY14-1B轴向柱塞泵的缸体进行了模态分析和结构静力学分析，得到其前6阶模态振型和具体的受力情况。
关键词：
ANSYS，Pro/E，轴向柱塞泵，有限元分析
Thefiniteelementanalysisofaxialpistonpumpcylinder
Abstract:
Withthecontinuousdevelopmentofhydraulictransmissionandcontroltechnology,theperformanceoftheaxialpistonpumpisputforwardhigherrequest.Forresearch,designanddevelopmentofhighperformanceofaxialplungerpump,simplyusethetraditionalphysicalexperimentmethod,takeswork,changetheparametersorconditionsdifficult,sometimesimpossible.Inthispaper,finiteelementanalysiswascarriedoutontheaxialpistonpumpcylinder,providingtheoreticalbasisforthedesignoftheplungerpump.
PapersonthestructureoftheaxialpistonpumpandtheworkingprincipleofPro/E,ANSYSsoftwareknowledgeisanalyzed.InPro/EestablishedSCY14-1b3dmodelofaxialpistonpumpcylinder,interfaceofPro/EandANSYSareanalyzedanddiscussed,chooseabetterfileformattransfer,completeSCY14-1baxialplungerpumpgeometrymodel;UsingfiniteelementanalysissoftwareANSYSSCY14-1bofaxialpistonpumpcylindercarriedoutmodalanalysisandthestructurestaticsanalysis,togetitssixordermodalvibrationmodeandstressoftheconcretesituation.
Keywords:
ANSYS，Pro/E，Theaxialplungerpump，FiniteElementMethod
1绪论1
1.1课题目的及意义1
1.2课题研究现状及发展2
1.3主要内容4
2轴向柱塞泵的工作原理4
2.1组成4
2.2原理5
3轴向柱塞泵几何建模6
3.1Pro/E简介6
3.2Pro/E的几何建模7
4轴向柱塞泵缸体有限元分析10
4.1有限元法简介10
4.2ANSYS简介11
4.2.1ANSYS的发展11
4.1.2ANSYS的功能12
4.2静力学分析14
4.2.1前处理和建模15
4.2.2加载求解21
4.3模态分析25
4.3.1模态分析概述25
4.3.2缸体的模态分析26
5结论30
5.1总结30
5.2展望30
参考文献：
31
致谢34
1绪论
1.1课题目的及意义
柱塞泵也是液压传动中使用最广的液压动力元件之一，从海洋中数万吨的大型船舶到工地上随处可见的行走车辆，从庞大的盾构机到小型挖掘机，从一般工业用的固定式机械到农业的收割机，从民用机械到军用武器，都可以见到柱塞泵的身影[1]。
柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容积发生变化来实现吸油和压油。
与齿轮泵和叶片泵相比它有以下特点：
⑴工作压力高；⑵易于变量；⑶流量范围大。
以上的特点可以看出，柱塞泵具有额定压力高，结构紧凑，效率高及流量调节方便等优点。
所以柱塞泵常用于高压、大流量和流量需要调节的场合，如液压机、工程机械、龙门刨床、拉床、船舶等设备的液压系统[2]。
当然，柱塞泵结构较复杂，零件数量较多，制造工艺要求较高，成本较贵，一般对介质的清洁度要求也较严格。
但是现在使用的液压系统趋向采用高压，要求更多地使用功率调节和无极变速，工作介质的发展和污染控制技术也在不断的完善，所以柱塞泵的应用正在愈来愈广泛。
柱塞泵又可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。
与径向柱塞泵比较，轴向柱塞泵具有结构简单，零件少，容积效率高，转速高，单位功率体积小，重量轻，成本低等优点，所以在许多场合径向柱塞泵己逐渐被轴向柱塞泵所替代。
轴向柱塞泵常用于高压、大流量、大功率的液压系统中和流量需要调节的场合。
随着工业设备对泵的性能要求越来越高，具有先天优势的柱塞泵是主要的发展方向。
尤其是近年来工程机械、塑料机械、矿山冶金和机床设备等的迅速发展，对长寿命、高性能、低噪声轴向柱塞泵有着极大的需求。
缸体作为柱塞泵的主要部件之一，其设计得当与否，将直接关系到该泵整体工作性能的发挥。
对缸体进行优化设计和三维自动建模，对提高设计质量和缩短设计周期是很有现实意义的[3]。
柱塞泵缸体是一个形状特殊、受力复杂的零件，既要求高强度，又要求高耐磨性。
随着轴向泵压力和转速的提高，提高缸体的强度、防止出现疲劳损坏，是轴向柱塞泵设计中的重要内容[4]。
对于传统设计方法，首先是凭经验建立初始设计方案，然后用结构力学的方法对结构的强度、刚度和稳定性进行分析与计算，检验初始方案是否达到设计要求，对不符合要求的地方进行修改，直到完成设计方案为止。
传统设计法存在以下缺点：
（1）只是被动地在初始方案基础上完善，为初始方案提供证据，容易形成设计工作中的照抄照搬现象；
（2）只是合格设计，不能对众多可行方案进行比较，所以无法进行最佳方案的选择；（3）在无成熟经验和先例可循时，传统设计不能很好地解决问题[5]。
有限元分析法能克服传统设计方法的缺点，通过运用有限元分析软件建立了液压缸的有限元分析模型，求解得到了应力应变分布云图，并根据有限元分析结果，对该零件进行了结构优化设计和改进[5]。
1.2课题研究现状及发展
液压传动的高压、大流量趋势，使柱塞泵尤其是轴向柱塞泵的应用日益广泛。
轴向柱塞泵主要分为斜盘式和斜轴式两大类。
两种类型的泵各有所长，从上世纪初先后出现以来，就相互竞争，各自都在不断改进和发展[6]。
目前世界上生产斜轴泵的公司主要有三家：
德国力士乐（Rcxroth）公司、林德（Linde）公司和瑞典的VOAC公司。
如上所述，斜轴泵由于其结构上的缺点和限制，排量在250ml/r以下的变量泵正逐步丧失竞争优势，但大排量泵还非其莫属。
如力士乐公司生产的A7V系列泵，排量可达1000ml/r[7-8]。
至于斜盘泵，目前世界上则有多家公司生产。
其中比较著名的有美国伊顿（Eaton）公司、丹尼逊（Denison）公司、德国的力士乐公司、林德公司等。
斜盘式轴向柱塞泵由于配油盘与缸体、滑靴与柱塞这两对运动副都采用了静压支承，具有结构紧凑、零件少、工艺性好、成本低、体积小、重量轻等优点，从而得到了迅速发展[9]。
轴向柱塞泵是高技术含量的液压元件，结构、品种繁多，制造工艺复杂，在当今许多液压元件结构发展相对稳定的情况下，轴向柱塞泵的结构、材料、变量控制方式等方面却仍在继续发展。
目前，关于轴向柱塞泵的研究主要集中在两方面。
其一是关于滑靴和斜盘之间、配流盘和缸体之间这两对关键摩擦副的研究。
一方面从材料入手，改变材料成份或其表面处理方式，以提高材料的耐磨性和减小摩擦副的摩擦、磨损。
另一方面利用静压支承原理对摩擦副处进行分析，对斜盘或配流盘的结构进行改进以期改善其润滑状态，减小振动，降低噪声。
例如：
我国兰卅Ｉ理工大学的那成烈教授对斜盘式轴向柱塞泵的配流原理进行了改进和创新，并且在此基础上研究出了于1994年获国家发明专利的“低噪声轴向柱塞泵的配流盘”，通过设置配流盘的错配角以及采用不同的减振槽形状等，可以同时减弱或消除配流过程中的液压冲击和气蚀现象，并能使柱塞油缸预升、预卸压力梯度极值的绝对值最小。
其二是变量控制方式的研究。
由于电液比例阀制造成本低，对液压油污染不敏感，使用可靠，维护简单，已在大部分领域取代了电液伺服阀。
由电液比例阀控制的变量泵以及由它们组成的液压系统完美地体现了电子信息技术和液压技术的结合。
如Rexroth公司生产的ＤＦＥ电路闭环控制柱塞泵[10]。
柱塞泵的优化设计中，用Pro/E、UG、CAD等软件进行三维建模，再应用ANSYS等有限元分析软件进行有限元分析，得出柱塞泵各个部分的应力分布，并应用ANSYS软件对柱塞泵的结构进行了优化，为类似的零件的优化设计提供了依据。
ANSYS提供的PDS技术（ProbabilisticDesignSystem）又称概率设计或可靠性设计，是用来评估输入参数的不确定性对于系统输出的影响行为及其特性的一个模块[11]。
该技术主要应用于两种情况：
一是关心系统的可靠性；二是用户对产品质量和可靠性的满意程度[12-13]。
1.3主要内容
（1）分析轴向柱塞泵的工作原理；以SCY14-1B泵为研究对象，根据其几何尺寸建立其有限元模型。
（2）测绘轴向柱塞泵尺寸，建立其有限元模型；
（3）对缸体进行静力学分析；
（4）对缸体进行模态分析；
2轴向柱塞泵的工作原理
2.1组成
轴向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两大类。
图2.1示轴向柱塞泵的结
构图。
轴向柱塞泵主要有主体部分和变量机构组成。
主体部分主要有斜盘、
缸体、柱塞、配流盘等主要零件组成[15]。
图2.1轴向柱塞泵的结构
2.2原理
柱塞泵是依靠2柱塞在其缸体内往复运动时密封工作腔容积的变化来实现吸油和压油的。
轴向柱塞泵中的柱塞是轴向排列的。
当缸体轴线和传动轴轴线重合时，称为斜盘式轴向柱塞泵；当3缸体的轴线和5传动轴的轴线不在一条直线上，而成一个夹角γ时，称为斜轴式轴向柱塞泵。
轴向柱塞泵具有结构紧凑，工作压力高，容易实现变量等优点。
斜盘式轴向柱塞泵由5传动轴带动3缸体旋转，1斜盘和4配油盘是固定不动的。
柱塞均布于缸体内，2柱塞的头部靠机械装置或在低压油作用下紧压在斜盘上。
1斜盘法线和3缸体轴线的夹角为γ。
当传动轴按图示方向旋转时，2柱塞一方面随缸体转动，另一方面，在3缸体内作往复运动。
显然，2柱塞相对缸体左移时工作容腔是压油状态，油液经4配流盘的吸油口吸入；2柱塞相对3缸体右移时工作容腔是压油状态，油液从4配流盘的压油口压出。
3缸体每转一周，每个2柱塞完成吸、压油一次。
如果可以改变斜角γ的大小和方向，就能改变泵的排量和吸、压油的方向，此时即为双向变量轴向柱塞泵[1]。
1-斜盘；2-柱塞；3-缸体；4-配流盘；5-传动轴；a-吸入窗口；b-压油窗口
图2.2轴向柱塞泵缸体的原理图
3轴向柱塞泵缸体几何建模
3.1Pro/E简介
Pro/E是Pro/Engineer的简称，更常用的简称是ProE或Pro/E，Pro/E是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。
Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的模具和产品设计三维CAD/CAM软件之一，它具有基于特征、参数化、实体造型等特点。
整个设计基于装配关系进行，装配的基础要素是相关的零件，零件是由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成，特征是一些与机械设计的表达意图相关的一些简单几何形体，这些几何形体的基础是参数化的，可以基于装配关系的二维或者三维草图，草图是一些简单类型的图线，可以用几何关系、装配关系加以约束。
Pro/Engineer软件已广泛应用于电子、机械、工业造型、航空航天、家电等领域。
Pro/E集零件设计、装配、工程图、钣金件设计、模具设计、ＮＣ加工、造型设计、逆向工程、运动模拟、有限元分析等于一体，基本覆盖了产品加工的全流程。
其功能强大，参数化特征造型使其占据的三维设计领域的软件市场份额越来越大，尤其在我国的CAD/CAM研究所和工厂得到了广泛应用。
它的技术特点就是参数化管理，所有的算法都是失量化的，三维与二维图形元素间具有关联性，是目前不可多得的计算机辅助设计软件。
Pro/E经过了20、2000i、2000i2等版本的不断升级，也随着该公司对其他相关技术公司的合并进程，很多新功能都引入进来，因此使Pro/E的强大功能对所有产品开发者都具有高度的可用性。
从“拖动操作”到“智能制图”，简化并精练了用户对Pro/E的体验过程。
简洁而直观的工作流程把常规操作中鼠标移动距离和菜单打开次数大大减少了。
并且把行业中功能最强大、最高效的工具应用到用户所有的设计任务中。
Pro/E还引用了行为建模功能：
一种全面的、目标驱动的设计工具，能让工程师通过捕捉的设计要求和目标，来最佳地驱动产品的开发过程。
也包括了一些在整个装配过程中评估行为的功能。
在装配零件时，设计人员可以快速简单地把零件装配起来，然后评估真实的产品将如何动作[16]。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
3.2Pro/E的几何建模
测量SCY-14B泵缸体的尺寸，其尺寸如表3.1：
表3.1缸体尺寸（单位:
mm）
参数名称
数值/mm
参数名称
取值/mm
柱塞孔个数
7
腰形槽外半径
23
柱塞孔直径
12
腰形槽内半径
19
缸体中柱塞孔长
50
进油口腰形槽高度
8
柱塞孔分布圆半径
23
出油口腰形槽高度
8
缸体总长
76
缸体中段外直径
78
缸体大端外直径
80
缸体中段内直径
64
缸体大端内直径
72
缸体中段长度
30
缸体大端长度
20
缸体小端长度
22
与配流盘油膜对应外半径
25
与轴连接的内圆直径
16
与配流盘油膜对应内半径
17
与轴连接的外圆直径
26
缸体中下段直径
70
与轴连接的键厚度
2
缸体中下段直径
64
使用Pro/E进行轴向柱塞泵缸体的结构的三维实体建模，如下图：
图3.1缸体的三维实体模型
完成三维实体模型建立后，在文件中选中保存副本，弹出如图3.2所示对话框，在类型中选择IGES（****.igs）,单击确定，弹出图3.3所示对话框，选择实体，单击确定，为后面进行缸体的有限元分析做准备。
图3.2保存副本对话框
图3.3导出IGES对话框
4轴向柱塞泵缸体有限元分析
4.1有限元法简介
有限元法（FiniteElementMethod,FEM）,是计算力学中的一种重要的方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。
对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题,有限元法则是一种有效的分析方法。
有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。
由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元（小区域）进行力学分析,最后再整体分析。
这种化整为零,集零为整的方法就是有限元的基本思路[17]。
有限元法是R.Courant于1943年首先提出的[18]。
自从提出有限元概念以来,有限元理论及其应用得到了迅速发展。
过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题,都得到了新的解决方案。
传统的FEM假设:
分析域是无限的;材料是同质的,甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的;对边界条件简化处理。
但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等[19]。
为解决这类问题,美国学者提出用GFEM（Gener-alizedFiniteElementMethod）解决分析域内含有大量孔洞特征的问题[20];比利时学者提出用HSM（theHybridmetisSingularelementofMembraneplate）解决实际开裂问题[21]。
在FEM应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时,FEM也从分析比较向优化设计方向发展[22]。
印度Mahanty博士用ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计,结果不但降低了约40%的前桥自重,还避免了在制造过程中的大量焊接工艺,降低了生产成本。
FEM在国内的应用也十分广泛。
FEM在国内的应用也十分广泛。
自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统JIGFEX后,有限元法渗透到工程分析的各个领域中,从大型的三峡工程到微米级器件都采用FEM进行分析，在我国经济发展中拥有广阔的发展前景[23-24]。
FEM发展至今,已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题,由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题,由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科,由线性问题扩展到非线性问题,由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料,从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等,由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合,其应用的深度和广度都得到了极大的拓展[25]。
4.2ANSYS简介
4.2.1ANSYS的发展
美国ANSYSInc（NASDAQ：
ANSS）公司成立于1970年，专业从事结构CAE软件的开发，经过一系列的收购，包括2003年收购CFX公司，2006年收购Fluent公司，2008年收购Ansoft公司，2011年收购ApacheDS公司，2012年收购Esterel公司，应用领域不断扩展，提供集成化CAE解决方案，为全球客户提供先进的仿真技术，推动产品研发，缩短研发时间，提高产品性能，降低成本。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
ANSYS具有很高的计算精度和强大的分析功能，可作为化工机械设计辅助分析的强有力工具，反映了该软件在化工机械设计中具有广泛的应用前景[26]。
ANSYS是一个广泛应用于机械制造、电子技术、航空航天、汽车交通、土木工程、生物医学等众多领域，集结构、热、流体、电磁、声学于一体的以有限元分析为基础的大型通用CAE软件。
该软件可以在大多数计算机及操作系统（如Windows、UNIX、Linux等）中运行。
从PC到工作站，直到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。
ANSYS是第一个集成计算机流体动力学（CFD）功能，也是唯一一个包括多物理场分析功能的软件。
到20世纪80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA和SAP等。
其中以ANSYS为代表的工程数值模拟软件是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本发展到今天的12.0版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析，现在可用来求解结构、流体、声场、电力、电磁场及碰撞等问题，它包含了前处理、求解以及后处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的强有力的工具。
使用该软件能够降低设计成本，缩短设计周期，同时也可以进行CFD软件的二次开发[27-29]。
4.1.2ANSYS的功能
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业的科学研究。
ANSYS具有强大的前后处理和求解功能，其结构分析包括静力分析、结构非线性分析、结构动力学分析、线性及非线性屈曲分析、拓扑优化功能、断裂力学分析、复合材料分析、疲劳及寿命估算分析等。
其中线性静力分析是用于分析惯性和阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题，特征值求解功能可以进行线性屈曲分析，结构非线性分析包括几何非线性、材料非线性、状态非线性、单元的非线性，结构动力学分析包括模态分析、谐波响应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随机振动分析等。
对于热分析，ANSYS可以进行传导、对流、辐射的稳态及瞬态热分析，还可以分析带相变、接触热阻、带内热源的问题等。
对于流体动力学分析，ANSYS/FLOTRAN基于质量守恒、动量守恒和能量守恒，可求解流场速度、压力、温度分布等。
ANSYS电磁场分析包括静磁场分析、时变磁场及交流磁场分析、静电场及交流电场分析、电路分析、电路磁场分析、电磁兼容分析、高频电磁场分析、计算洛伦兹力和焦耳热用于耦合场分析等。
对于声学分析，ANSYS可以用于分析声波在容器内
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