豐 雷,夏松林,雷 剛*,梁宏喜

(1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室,重慶 402263;2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054;3.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司,重慶 402162)

0 引 言

與機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)相比較,液壓馬達(dá)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快、操縱方便,且其傳動(dòng)更加可靠。斜軸式軸向柱塞馬達(dá)主要用于混凝土工程車,為雙向馬達(dá),適用于各種開(kāi)式、閉式回路的靜液壓傳動(dòng)。柱塞馬達(dá)可與變量柱塞泵組合使用,泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí),可為滾筒裝置提供大扭矩傳動(dòng),且實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速和換向[1]。

為了響應(yīng)國(guó)家的“雙碳”政策,滿足國(guó)家對(duì)工程車超載方面的要求,需要對(duì)工程車的整備質(zhì)量進(jìn)行減重。因此,對(duì)斜軸式軸向柱塞馬達(dá)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程應(yīng)用意義,能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。

作為行走機(jī)械和工程應(yīng)用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件[2],柱塞馬達(dá)的重量約占整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)整備質(zhì)量的1/3。

目前,對(duì)馬達(dá)進(jìn)行的輕量化、小型化改進(jìn),大多是以結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。此前,眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

戎瑞亞等人[3]116-117運(yùn)用CosmosWorks與MATLAB軟件,搭建了以體積為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,對(duì)液壓馬達(dá)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使馬達(dá)的結(jié)構(gòu)更加緊湊、更加小型化。郭加利等人[4]利用FLUENT軟件對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)分析,為配流盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的探究提供了條件。ZHOU Zhong-ning等人[5]通過(guò)對(duì)滑靴出潤(rùn)滑磨進(jìn)行流場(chǎng)分析,得到了其底部潤(rùn)滑膜的速度,并對(duì)滑靴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。QIAO Wei-zhi等人[6]采用仿真分析的方式,模擬了液壓馬達(dá)柱塞塑形變形過(guò)程中,其金屬流動(dòng)的變化規(guī)律,并根據(jù)結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。SHI Jin-yan等人[7]對(duì)液壓挖掘機(jī)軸向柱塞馬達(dá)的閥板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,得到了低噪聲的閥板結(jié)構(gòu)。SHI Jin-yan[8]推導(dǎo)了氣缸任意相位受力分析的數(shù)學(xué)模型,對(duì)一種軸向柱塞馬達(dá)的受力進(jìn)行了分析,為活塞偶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。GAO You-shan等人[9]在柱塞馬達(dá)中,對(duì)閥平面使用對(duì)稱結(jié)構(gòu),并在閥平面槽的兩端設(shè)置消音槽,達(dá)到了減小柱塞腔內(nèi)的壓力脈動(dòng)的目的。江浩[10]7-8對(duì)斜軸式定量柱塞馬達(dá)的部分零件進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,優(yōu)化減輕了零件體積和重量,提高了功率重量比。申文強(qiáng)等人[11]采用理論分析和仿真模擬的方式,對(duì)馬達(dá)重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。劉等卓[12]通過(guò)對(duì)軸向柱塞馬達(dá)進(jìn)行有限元分析和動(dòng)態(tài)特性分析,得到了接近于實(shí)際的柱塞馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性和應(yīng)力分布,為以后馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、疲勞可靠度等提供了指導(dǎo)。張陽(yáng)[13]采用理論分析、靈敏度分析、響應(yīng)曲面分析、拓?fù)鋬?yōu)化等相結(jié)合的方法,對(duì)液壓機(jī)械進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了液壓機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)。吳永源[14]針對(duì)馬達(dá)的減振降噪問(wèn)題,引進(jìn)了拓?fù)鋬?yōu)化方法,更好地指導(dǎo)了馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,為馬達(dá)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種新的思路。

以上研究側(cè)重于從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方案較單一,無(wú)法最大限度地對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

筆者以某型號(hào)斜軸式軸向柱塞馬達(dá)為研究對(duì)象,從材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對(duì)馬達(dá)的殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì);基于AMESim和ABAQUS軟件,分別對(duì)殼體進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析和強(qiáng)度分析,應(yīng)用TOSCA模塊對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)強(qiáng)度分析、校核,以此來(lái)驗(yàn)證其可行性。

該方法從材料、結(jié)構(gòu)等方面對(duì)殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以期實(shí)現(xiàn)最大輕量化,達(dá)到節(jié)能減排和提高材料利用率的目標(biāo),為研究液壓馬達(dá)輕量化設(shè)計(jì)提供一種新的方案。

1 斜軸式軸向柱塞馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

斜軸式軸向柱塞馬達(dá)具有功率重量比高、結(jié)構(gòu)緊湊、總效率高、扭矩效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定等特點(diǎn),因此,它在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

該斜軸式軸向柱塞馬達(dá)主要由傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)盤(pán)、柱塞、缸體、泵蓋、殼體等組成,其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斜軸式軸向柱塞馬達(dá)的結(jié)構(gòu)圖1—傳動(dòng)軸;2—驅(qū)動(dòng)盤(pán);3—柱塞;4—缸體;5—泵蓋;6—?dú)んw

斜軸式馬達(dá)采用無(wú)鉸式方式傳遞扭矩。在主軸的設(shè)計(jì)中采用無(wú)回程盤(pán)鎖住柱塞球頭的結(jié)構(gòu),減少了零部件數(shù)量且軸系結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化[10]14-19。

柱塞馬達(dá)的工作原理是:高壓油液通過(guò)進(jìn)油口進(jìn)入泵蓋,作用在柱塞上產(chǎn)生推力,推力通過(guò)柱塞的球端作用在驅(qū)動(dòng)盤(pán),機(jī)構(gòu)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩帶動(dòng)缸體與傳動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn),從而使馬達(dá)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速,將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;由于柱塞壁側(cè)面與缸體內(nèi)壁接觸,迫使柱塞帶動(dòng)缸體一同旋轉(zhuǎn)。

馬達(dá)為7個(gè)柱塞馬達(dá),在工作時(shí),各柱塞輪流產(chǎn)生推動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)力矩,帶動(dòng)其連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1.2 馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性仿真分析

筆者通過(guò)對(duì)馬達(dá)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析,提取馬達(dá)各工作油路和柱塞腔壓力載荷,作為受力分析和強(qiáng)度分析的邊界條件。

筆者在AMESim中建立斜軸式軸向柱塞馬達(dá)仿真模型,并按照馬達(dá)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;然后進(jìn)入仿真模式,對(duì)模型進(jìn)行求解,得到各壓力脈動(dòng)。

柱塞腔的壓力特性曲線如圖2所示。

圖2 柱塞腔壓力特性曲線

從圖2可以看出:馬達(dá)的柱塞腔壓力在39 MPa左右波動(dòng),且存在壓力脈動(dòng)。因此,筆者選取最大壓力載荷39 MPa為柱塞腔的壓力載荷。

進(jìn)油口的壓力特性曲線如圖3所示。

圖3 進(jìn)油口的壓力特性曲線

從圖3可以看出:馬達(dá)的進(jìn)油口油路壓力在39 MPa左右,且存在脈動(dòng)現(xiàn)象,壓力脈動(dòng)差為0.5 MPa。因此,筆者選取最大壓力載荷39 MPa為載荷條件。

1.3 馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)分析

筆者對(duì)排量為90 ml/r、額定壓力為40 MPa、轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的斜軸式柱塞馬達(dá)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)分析,對(duì)比仿真與試驗(yàn)分析結(jié)果,以驗(yàn)證仿真模型和壓力載荷的準(zhǔn)確性,提高輕量化設(shè)計(jì)方案的可靠性。

筆者采用某型號(hào)的液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)分析,即在工作壓力40 MPa、電機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min的條件下,對(duì)斜軸式軸向柱塞馬達(dá)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。

斜軸式軸向柱塞馬達(dá)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖4 斜軸式軸向柱塞馬達(dá)試驗(yàn)圖

筆者經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析,得到馬達(dá)流量、扭矩和進(jìn)出油口壓力等動(dòng)態(tài)特性結(jié)果,并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證液壓仿真模型的準(zhǔn)確性。

馬達(dá)試驗(yàn)分析與仿真分析結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 馬達(dá)試驗(yàn)分析與仿真分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表1,筆者將馬達(dá)技術(shù)要求作為理論值參數(shù)對(duì)象,將仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：馬達(dá)的仿真分析和試驗(yàn)分析結(jié)果存在較小誤差,但仍在合理的誤差范圍內(nèi)(該誤差值是由樣品的制造工藝與裝配等造成的)。

通過(guò)觀察誤差值可知:出口壓力誤差較大是由出口壓力本身較小造成的,屬于正?，F(xiàn)象。由此可見(jiàn),馬達(dá)仿真模型和壓力載荷具有準(zhǔn)確性。

2 殼體強(qiáng)度分析

馬達(dá)殼體是斜軸式軸向柱塞馬達(dá)的重要零部件之一,其中,殼體占馬達(dá)總質(zhì)量的39%。因?yàn)闅んw主要作用是容納其他零部件和提供裝配位置,殼體優(yōu)化對(duì)馬達(dá)整體性能不會(huì)有較大影響,承載的作用力較小,因此,筆者選取殼體作為輕量化設(shè)計(jì)對(duì)象。

為了尋求合適的輕質(zhì)材料,以替代馬達(dá)殼體的原灰鑄鐵材料,需要從有限元結(jié)果和材料屬性等方面來(lái)確定新材料,因此,需要對(duì)殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2.1 馬達(dá)殼體有限元模型建立

由于馬達(dá)殼體與眾多零部件之間存在裝配關(guān)系,殼體與泵蓋通過(guò)螺栓連接裝配,殼體與軸承存在裝配關(guān)系,柱塞與缸體受到的推力和徑向作用力通過(guò)連桿傳到驅(qū)動(dòng)盤(pán),經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸將連桿受到的軸向力和徑向力傳遞至軸承,最后通過(guò)軸承傳遞至殼體。因此,需要對(duì)其中的軸承和泵蓋進(jìn)行建模。

筆者首先采用Creo三維建模軟件建立馬達(dá)殼體及接觸零件的三維模型,然后將模型導(dǎo)入HyperMesh中,進(jìn)行有限元建模。

馬達(dá)殼體的三維模型如圖5所示。

圖5 斜軸式軸向柱塞馬達(dá)殼體三維模型

筆者在HyperMesh中,對(duì)殼體等零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。實(shí)體網(wǎng)格劃分采用四面體單元,模型單元總共有485 732個(gè),節(jié)點(diǎn)104 415個(gè)。殼體與泵蓋之間的螺栓連接采用B31單元進(jìn)行模擬。

殼體與接觸件的網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 殼體與接觸件的網(wǎng)格模型

2.2 輕質(zhì)材料的選擇

馬達(dá)殼體原來(lái)采用的材料是灰鑄鐵HT250。結(jié)合灰鑄鐵材料的材料屬性和殼體的實(shí)際工況,筆者選取了一種高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料ZL205A作為輕質(zhì)材料。該材料具有強(qiáng)度高、韌性好、加工性好、耐腐蝕性等特點(diǎn),并且鑄造鋁合金鑄件的制造技術(shù)成熟、成本較低,具有較好的經(jīng)濟(jì)性[15]。

灰鑄鐵HT250與鑄造鋁合金ZL205A的材料性能參數(shù)對(duì)比,如表2所示。

表2 HT250和ZL205A材料性能參數(shù)

2.3 邊界條件施加

殼體作為馬達(dá)重要的承載零件,馬達(dá)內(nèi)部存在流體與機(jī)械運(yùn)動(dòng),殼體所受到的載荷錯(cuò)綜復(fù)雜。因此,針對(duì)殼體的強(qiáng)度分析,筆者僅考慮對(duì)殼體影響較大的載荷。

殼體所受到的載荷部位主要在軸承座處,分擔(dān)軸承所受到的軸向力和徑向力,因此,殼體受到的主要載荷為:

(1)法蘭盤(pán)上作用力的軸向分力由連桿、傳動(dòng)軸傳遞至殼體的止推軸承,由軸承承受此力。

止推軸承的軸向力Faz的表達(dá)式為[16]203-204:

(1)

式中:Z′—高壓區(qū)的柱塞數(shù),奇數(shù)時(shí),取1/Z(Z+1);γ—傳動(dòng)軸上法蘭盤(pán)與連桿的傾角;d—柱塞直徑,mm;p—工作壓力,MPa。

(2)法蘭盤(pán)上作用力的徑向分力通過(guò)連桿、傳動(dòng)軸,傳遞至向心軸承,由軸承承受此力[16]204。

向心軸承的徑向力Frz的表達(dá)式為:

(2)

(3)殼體與泵蓋間采用螺栓連接,存在螺栓預(yù)緊力,根據(jù)擰緊力矩計(jì)算出螺栓預(yù)緊力大小為18 000 N。

殼體軸承座處承受的載荷分別為軸向力和徑向力,且隨著傾角γ的增大,法蘭盤(pán)上的軸向力Faz會(huì)減小,徑向力Frz會(huì)增大。除此之外,柱塞與缸體之間存在徑向力,但此力很小,可以忽略不計(jì)。

殼體與軸承和泵蓋存在接觸,為了計(jì)算其收斂性,可采用共節(jié)點(diǎn)的方式建立接觸。固定約束位置為殼體安裝孔,且約束全部自由度。

馬達(dá)殼體邊界條件的施加如圖7所示。

圖7 馬達(dá)殼體邊界條件

2.4 強(qiáng)度分析

殼體前處理建模完成后,筆者采用ABAQUS軟件,分別對(duì)灰鑄鐵HT250材料和鋁合金ZL205A材料的殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析,以驗(yàn)證輕質(zhì)材料的可靠性。求解計(jì)算后,可得到灰鑄鐵HT250和鑄造鋁合金ZL205A材料殼體應(yīng)力、變形的有限元結(jié)果。

HT250材料殼體的等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 HT250殼體等效應(yīng)力云圖

HT250材料殼體的變形云圖如圖9所示。

圖9 HT250殼體變形云圖

ZL205A材料殼體的等效應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 ZL205A殼體等效應(yīng)力云圖

ZL205A材料殼體的變形云圖如圖11所示。

圖11 ZL205A殼體變形云圖

由兩種不同材料的殼體等效應(yīng)力云圖,即圖(8,10)可知:馬達(dá)殼體的最大應(yīng)力位置一致,均位于安裝孔處;

由兩種不同材料的殼體變形云圖,即圖(9,11)可知:最大變形量位置均位于軸承座附近,以及泵蓋端連接上方的位置。

兩種不同材料的有限元結(jié)果和材料質(zhì)量對(duì)比結(jié)果,如表3所示。

表3 殼體HT250與ZL205A材料的分析結(jié)果對(duì)比

由表3可知:灰鑄鐵HT250殼體的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度205 MPa;同時(shí),鑄造鋁合金ZL205A殼體的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度255 MPa。由此可見(jiàn),兩種材料均處于彈塑性變形階段內(nèi),滿足殼體設(shè)計(jì)要求。

在兩種材料中,鑄造鋁合金的變形量相比灰鑄鐵增大了一倍,但鋁合金殼體的最大變形量為0.056 mm,仍滿足變形量不大于0.1 mm的技術(shù)要求。可見(jiàn),在滿足設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上,從輕量化方面考慮,鑄造鋁合金更適合于殼體。

其中,ZL205A的材料密度為HT250密度的1/3;采用鑄造鋁合金后,馬達(dá)殼體質(zhì)量可以從9.07 kg降到3.53 kg。

3 拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化是一種常用的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。目前,拓?fù)鋬?yōu)化有3種常用方法,即變密度法、均勻化法、變厚度法[17]。筆者采用的是變密度法,變密度法是以優(yōu)化模型設(shè)計(jì)區(qū)域的單元密度為設(shè)計(jì)變量。

筆者設(shè)想在單元密度與材料的彈性模量之間構(gòu)建一種單元相對(duì)密度的函數(shù)關(guān)系,模型在0到1之間不斷取值優(yōu)化迭代,以獲得材料的最佳分布。

筆者利用ABAQUS的TOSCA優(yōu)化模塊,對(duì)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。由于殼體分析存在接觸和材料的非線性,而Tosca的控制算法擅長(zhǎng)處理接觸、塑形等非線性問(wèn)題。TOSCA主要利用強(qiáng)度分析得到結(jié)果,對(duì)模型進(jìn)行無(wú)參拓?fù)鋬?yōu)化;在保證強(qiáng)度、剛度等不變的前提下,其對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大程度的簡(jiǎn)化,獲取符合目標(biāo)函數(shù)下的最佳材料分布結(jié)構(gòu)[5]117-119。

3.1 殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型建立

由于馬達(dá)殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型是建立在殼體強(qiáng)度分析有限元模型基礎(chǔ)上的,筆者將強(qiáng)度分析模型導(dǎo)入ABAQUS中,進(jìn)入TOSCA優(yōu)化模塊,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置如下:

(1)設(shè)計(jì)變量。單元密度;

(2)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。最小柔度(最大剛度);

(3)約束條件。體積分?jǐn)?shù)小于、等于60%;

(4)凍結(jié)區(qū)域。接觸面、螺栓孔、載荷位置。

Tosca拓?fù)鋬?yōu)化算法采用基于條件的拓?fù)鋬?yōu)化算法,設(shè)置最大優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán)為15次,并根據(jù)制造工藝對(duì)模型設(shè)置拔模方向。

馬達(dá)殼體的拓?fù)鋬?yōu)化模型如圖12所示。

圖12 馬達(dá)殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果

筆者在提交計(jì)算后,對(duì)馬達(dá)殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行14次迭代優(yōu)化,15次循環(huán)強(qiáng)度分析計(jì)算,最終在體積分?jǐn)?shù)達(dá)到約束條件小于、等于60%時(shí)停止迭代,得到殼體的最佳材料分布結(jié)構(gòu)。

在殼體優(yōu)化過(guò)程中,體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變能隨迭代次數(shù)變化的曲線,如圖13所示。

圖13 優(yōu)化過(guò)程中體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變能變化曲線

殼體第6次迭代最佳材料分布如圖14所示。

圖14 第6次迭代材料分布結(jié)構(gòu)圖

殼體第14次迭代最佳材料分布如圖15所示。

圖15 第14次迭代材料分布結(jié)構(gòu)圖

從圖(13～15)可知:前6次的體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變能變化最大,迭代移除材料效果最好,這部分移除的是非凍結(jié)區(qū)域位置的材料,且該位置對(duì)整體馬達(dá)殼體強(qiáng)度、剛度影響較小;后面8次迭代移除的材料中,較多的是凍結(jié)區(qū)域附近位置的材料。

根據(jù)第15次循環(huán)的強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果可知:在拓?fù)鋬?yōu)化前后,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形大小分布位置均無(wú)變化。

3.3 殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化后的最佳材料分布結(jié)構(gòu)圖為殼體在保證強(qiáng)度、剛度不變的情況下,最理想的概念模型。但其不能直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)制造和應(yīng)用中,需根據(jù)其拓?fù)鋬?yōu)化迭代后的最佳材料分布圖和殼體實(shí)際所涉及的安裝、裝配等問(wèn)題,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

因此,筆者不能直接應(yīng)用最后迭代的概念模型,需觀察、測(cè)量迭代后的優(yōu)化概念模型結(jié)構(gòu),以此確定優(yōu)化位置以及各位置的優(yōu)化方案。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可知:由于該殼體按照體積分?jǐn)?shù)60%目標(biāo)進(jìn)行最大限度的拓?fù)鋬?yōu)化,許多需要保留的結(jié)構(gòu)材料也被移除,這使得拓?fù)淠Ｐ团c優(yōu)化后模型結(jié)構(gòu)相差較大。由于殼體為馬達(dá)內(nèi)部零件提供了安裝位置,并儲(chǔ)存了工作中泄漏的油液,不能制作成鏤空形狀,整個(gè)殼體內(nèi)部需封閉。同時(shí),馬達(dá)內(nèi)部不能變動(dòng)過(guò)大,否則會(huì)對(duì)裝配造成影響,進(jìn)而影響馬達(dá)的性能。

因此,需按照迭代后模型考慮實(shí)際要求,以確定優(yōu)化位置并減厚尺寸。

筆者觀察、測(cè)量迭代優(yōu)化后模型,考慮殼體安裝和裝配等實(shí)際情況,確定殼體優(yōu)化位置為外殼后端左右外壁處,并對(duì)該外壁進(jìn)行減厚處理。為了保持馬達(dá)殼體的重心位置不變,筆者對(duì)殼體外壁優(yōu)化設(shè)計(jì)采用左右對(duì)稱設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的馬達(dá)殼體三維模型如圖16所示。

圖16 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的馬達(dá)殼體三維模型

馬達(dá)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后,筆者需要對(duì)殼體進(jìn)行強(qiáng)度校核,驗(yàn)證其是否符合強(qiáng)度、剛度要求。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行有限元建模,筆者在原工況和邊界條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度分析,經(jīng)ABAQUS求解計(jì)算,然后得到其有限元分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后馬達(dá)殼體的應(yīng)力云圖如圖17所示。

圖17 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后殼體等效應(yīng)力云圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后馬達(dá)殼體變形云圖如圖18所示。

圖18 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后殼體變形云圖

由圖(17,18)可以得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后殼體的等效應(yīng)力和變形量的情況。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后殼體強(qiáng)度分析結(jié)果和質(zhì)量,筆者可驗(yàn)證該方案的優(yōu)化效果。

優(yōu)化前后,筆者對(duì)殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析,其結(jié)果和質(zhì)量對(duì)比如表4所示。

表4 殼體優(yōu)化前后強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比

由表4中優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比可知:

優(yōu)化前后,殼體的最大應(yīng)力和最大變形量均相差不大,最大應(yīng)力位置和最大變形位置也均無(wú)變化,殼體的最大強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,最大變形量小于變形的技術(shù)要求,符合強(qiáng)度、剛度要求[18-20];

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前質(zhì)量為9.07 kg,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后質(zhì)量為3.38 kg,相比優(yōu)化前的殼體質(zhì)量,優(yōu)化后殼體質(zhì)量減少了62.7%。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)斜軸式軸向柱塞馬達(dá)的輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題,筆者以馬達(dá)的殼體為設(shè)計(jì)對(duì)象,從材料和結(jié)構(gòu)方面對(duì)殼體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。該方案結(jié)合動(dòng)態(tài)特性分析、強(qiáng)度分析、拓?fù)鋬?yōu)化分析等方面,對(duì)殼體進(jìn)行了優(yōu)化;最后,根據(jù)優(yōu)化迭代的最佳材料分布圖,對(duì)模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析驗(yàn)證。

研究結(jié)論如下:

(1)通過(guò)仿真、試驗(yàn)的方式,對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析,得到了馬達(dá)柱塞腔壓力和進(jìn)油口壓力載荷,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性,得到的壓力載荷也為其強(qiáng)度分析的受力分析提供了依據(jù);

(2)經(jīng)過(guò)強(qiáng)度分析并參考材料屬性,確定采用鑄造鋁合金ZL205A作為輕質(zhì)材料;通過(guò)強(qiáng)度分析對(duì)該材料進(jìn)行了驗(yàn)證,證明其符合設(shè)計(jì)要求;

(3)利用Tosca優(yōu)化模塊對(duì)殼體進(jìn)行了無(wú)參拓?fù)鋬?yōu)化分析,根據(jù)最佳材料分布圖對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn),移除了對(duì)強(qiáng)度、剛度影響較小的結(jié)構(gòu),進(jìn)行了強(qiáng)度分析驗(yàn)證;優(yōu)化后的馬達(dá)殼體質(zhì)量減少了62.7%,實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜軸式軸向柱塞馬達(dá)的輕量化設(shè)計(jì)。

在下一步的研究中,筆者將考慮在ADAMS中建立斜軸式柱塞馬達(dá)動(dòng)力學(xué)與液壓仿真的聯(lián)合仿真模型,以期提高動(dòng)態(tài)特性分析的精度,并提高整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可靠性。