轉(zhuǎn)椅液壓桿的有限元分析及優(yōu)化設計【全套CAD圖紙+畢業(yè)論文答辯資料】

需要購買對應 紙  咨詢 14951605 買對應的 紙  14951605 或 1304139763 本  科  生  畢  業(yè)  設  計（論文）  （       屆）  系  題     目：                               學     號：                               姓     名：                               專業(yè)班級：                               指導教師：               職稱 ：           職稱 ：           年      月      日  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 買對應的 紙  14951605 或 1304139763 本科生畢業(yè)設計（論文） 誠信承諾書  我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)設計（論文）均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了引用注釋，如出現(xiàn)抄襲及侵犯他人知識產(chǎn)權的情況，后果由本人承擔。  承諾人（簽名）：         年     月     日  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 I 摘要 ： 轉(zhuǎn)椅是一種坐著的部分可以轉(zhuǎn)動的椅子 ， 通常由：頭枕 、 背 、 椅坐 、 扶手 、 支撐桿（ 液壓桿 ） 、 轉(zhuǎn)軸 、 五爪 、 爪輪子組成。 轉(zhuǎn)椅升降 最關鍵的部件就是 升降裝置中有一個 液壓桿 ， 液壓桿以 液體為工作介質(zhì) ， 可以起支撐、緩沖、制動、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能的彈性元件 。  本次設計首先，調(diào)查了 轉(zhuǎn)椅液壓桿的工作原理 ；接著， 根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)椅液壓桿參數(shù)要求設計處理液壓桿的初步結構尺寸 ；其次， 采用 維設計軟件構建了三維模型并進行了虛擬裝配 ；然后， 采用 件 對初步設計的液壓桿進行有限元分析并優(yōu)化設計結果； 最后， 采用件繪制了優(yōu)化后的轉(zhuǎn)椅液壓桿裝配圖及主要零件圖 。  通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、機械制圖等； 并 掌握了 件，對今后的工作與生活具有極大意義。  關鍵詞： 轉(zhuǎn)椅 ， 液壓桿 ， 有限元分析 ， 優(yōu)化 設計  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 he is of be  is a to as a of is to of to a to of to of to of is of of 要購買對應 紙  咨詢 14951605 錄  1 緒論  . 1 椅介紹  . 1 椅液壓桿介紹  . 1 椅液壓桿工作原理  . 1 椅液壓桿常見故障  . 2 限元分析簡介  . 2 2 液壓桿的初步設計  . 3 壓桿參數(shù)選定  . 3 壓桿初步設計  . 3 力分 析  . 3 作壓力的選定  . 3 塞及活塞桿設計  . 3 底和缸蓋的設計  . 5 壓桿缸筒的設計  . 6 壓桿結構設計  . 6 3 基于 三維設計  . 8 件概述  . 8 壓桿三維模型的建立  . 8 壓桿導向筒  . 8 壓桿內(nèi)、外缸筒  . 9 壓桿活塞  . 9 壓桿缸蓋、開關頂桿  . 9 壓桿虛擬裝配  . 10 4 基于 有限元分析及優(yōu)化設計  . 12 件概述  . 12 壓桿基于 有限元分析  . 12 于 靜力分析  . 12 于 屈曲分析  . 15 于 模態(tài)分析  . 17 壓桿優(yōu)化設計  . 18 總  結  . 19 參考文獻  . 20 致  謝  . 21 需要購買對應 紙  咨詢 14951605 1 1 緒論  椅 介紹  轉(zhuǎn)椅 是一種坐著的部分可以轉(zhuǎn)動的椅子。 轉(zhuǎn)椅一般又分為半轉(zhuǎn)椅和全轉(zhuǎn)椅兩種。半轉(zhuǎn)椅就是能夠正面左右各 90 度的旋轉(zhuǎn)。全轉(zhuǎn)椅是指能夠 360 度旋轉(zhuǎn)的椅子。  轉(zhuǎn)椅 通常由：頭枕，背，椅坐，扶手， 支撐桿 （ 液壓桿 ）， 轉(zhuǎn)軸 ，五爪，爪輪子組成。  圖 1椅  椅液壓桿介紹  椅 液壓桿工作原理  轉(zhuǎn)椅之所以能升降，是因為升降裝置中有一個氣壓棒，氣壓棒是一種以氣體和液體為工作介質(zhì)的，可以起支撐、緩沖、制動、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能的彈性元件，其基本原理是內(nèi)部充有高壓氮氣，由于在活塞內(nèi)部設 有通孔，活塞兩端氣體壓力相等，而活塞兩側(cè)的截面積不同，一端接有活塞桿而另一端沒有，在氣體壓力作用下，產(chǎn)生向截面積小的一側(cè)的壓力，即氣壓棒的彈力，人坐上去給升降軸壓力，升降軸就平緩地下降，速度均勻，可以降到最低點。不給升降軸外力，升降軸升回到最高點。  該種 液壓桿 借助釋放裝置，可以在行程中的任意位置停止，并且停止以后有很大的鎖緊力（可以達到 10000N 以上）。  圖 1椅液壓桿  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 2 椅 液壓桿 常見故障  調(diào)查市場 轉(zhuǎn)椅 ，發(fā)現(xiàn) 液壓桿 常見故障主要有以下幾種形式：  （ 1）泄漏，導致轉(zhuǎn)椅升降失效；  （ 2）活塞桿斷裂 ，導致轉(zhuǎn)椅支撐斷裂而無法使用 ；  （ 3）缸體爆裂 ，導致轉(zhuǎn)椅支撐損壞而無法使用，甚至會危及人身安全 。  因此解決 轉(zhuǎn)椅液壓桿 的這些故障尤為重要。而在 上述故障中，泄漏是由于密封圈失效導致；而活塞桿斷裂和缸體爆裂均是液壓桿 零件強度不足導致，因此設計 出 合理的 液壓桿零件尺寸尤為重要。  限元分析簡介  有限元分析（ 用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未 知量的真實系統(tǒng)。  有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的 (較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件 (如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。  有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用， 例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法 。  常用 的有限元 軟件 有以下幾種：  （ 1） 國外軟件  大型通用有限元商業(yè)軟件：如 以分析多學科的問題，例如：機械、電 磁、熱力學等；電機有限元分析軟件 。還有三維結構設計方面的 都是比較強大的。  （ 2） 國內(nèi)軟件  國產(chǎn)有限元軟件：  。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 3 2 液壓桿的 初步設計  壓桿參數(shù)選定  調(diào)研市場現(xiàn)有轉(zhuǎn)椅，本次設計我們選定常用的轉(zhuǎn)椅液壓桿進行設計，其參數(shù)要求如下：  （ 1）行程： 80 2） 安裝距離 ： 200（  （ 3）可承受壓力： 2500N 壓桿初步設計  力分析  式中，  液壓桿 軸線方向上的外作用力    （ N）   液壓桿 軸線方向上的重力      （ N）  運動部件的慣性力     （ N）  R： 液壓桿 的工作負載      （ N）  液壓桿 參數(shù)：  外作用力為 液壓桿 上部所有件重量此處取約： 000  慣性力： m 1252/)060/60(250  因 液壓桿 載荷較大，位置精度要求較高，故頂升速度不宜過大，最大頂升速度應控制在 60mm/ 故總負載力為：  125  作壓力的選定  由以上得到工作負載 R，再根據(jù)表  R 在 0 到 5000N 之間，所以選擇系統(tǒng)壓力為 1 表 壓桿 工作壓力參考表  表 壓桿 公稱壓力（    0 16 20 25  活塞 及 活塞 桿 設計  （ 1） 液壓桿 內(nèi)徑及活賽桿直徑計算  負載（ N）  50000 工作壓力（ N）  10d 時，要進行穩(wěn)定性驗算：   式中，  液壓桿 穩(wěn)定臨界力  P： 液壓桿 最大推力  穩(wěn)定性安性系數(shù)，  =2活塞桿計算柔  度   ：安裝形式系數(shù)，取 0.7 l: 活塞桿長度  A：活塞桿的橫截面積， 24 0    所以， 21 為柔度系數(shù)，  102 ，因此只需校核強度。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 5 則按壓縮強度計算：  M P  3 . 0 50/(2 1 2 5/ 62  所以取 6 滿足強度要求  活塞桿及加工要求  活塞桿常用材料為 35、 45 號鋼。  活塞桿的工作部分公差等級可以取  ，表面粗糙度不大于  ，工作 表面的直線度誤差在 500 活塞桿在粗加工后調(diào)質(zhì)，硬度為  ，必要時可以進行高頻淬火，厚度 度為  。  （ 4） 缸筒 壁厚的確定  一般，低壓系統(tǒng)用的 液壓桿 都是薄壁缸，缸壁可用下式計算：  )2/( DP p  式中， 缸壁厚度       試驗壓力  當額定壓力 6 時， %150 p  當額定壓力 6 時， %125 p  D 液壓桿 內(nèi)徑   ,   o n 安全系數(shù)，一般取 n=5 注：如果計算出的 液壓桿 壁厚較薄時，要按結構需要適當加厚。  由 6 ，所以用 6 ，  M P p  5 0  由上述已算出 D=50101 2 05/6 0 0/  p . 0 0 50)101202/(2/( 66  為了增加安全系數(shù)，適當加厚 液壓桿 壁厚度為  。  底和缸蓋的設計  （ 1）缸底厚度的確定  對于 液壓桿 底有油孔的：   )(222  式中  h 缸底的厚度（  2D 缸底止口內(nèi)徑  （  P 缸內(nèi)最大工作壓力 )10( 6  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 6 材料許用應力 )10( 6           0d 缸底開口的直徑（  所以 ：  0220( )10220(3 236 ，取 （ 2）缸蓋厚度  缸蓋厚度的設計與缸底的厚度一樣： h=10接方式：把缸底與缸蓋焊接在缸體上，這樣的方法比較簡單方便。  壓桿 缸筒的設計  （ 1）缸筒的尺寸確定  設計 液壓桿 的長度一般由工作行程長度確定，但還要注意制造工藝性和經(jīng) 濟性。  L 是 液壓桿 長度，    D。：是缸體外徑。  由 2125020  由上面可以知 液壓桿 的長度過 0+D/2 式中， H：最小導向長度（ m）   需要購買對應 紙  咨詢 14951605 7 L:液壓桿 最大工作行程（ m）  D： 液壓桿 內(nèi)徑（ m）  所以   H 0+=m) 取 H=30 2）活塞與缸體的密封方式  活塞和活塞桿密封均采用 O 形密封圈，其具體標準采用  壓氣動用 O 形密封圈。  這類密封為擠壓密封，結構簡單，安裝方便，空間小，使用范圍廣，適用所選系統(tǒng)的工作壓力，活塞與缸體的密封  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 8 3 基于 三維 設計  件概述  參數(shù)化技術的先驅(qū)，參數(shù)化是其最突出特點。是現(xiàn)今主流的 件之一，特別是在國內(nèi)汽車行業(yè)、工程機械行業(yè)和產(chǎn)品設計領域占據(jù)不可替代位置。本論文運用件對機械手各零件進行建模， 然后進行裝配和運動仿真。通過 建模清楚、形象、直觀地表達機械手各部分的特點 15。  件的主要特點是 : （ 1） 全參數(shù)化  （ 2） 基于特征的實體建模  （ 3） 相關性  虛擬樣機技術，也稱為動態(tài)機械系統(tǒng)仿真技術，是國際計算機輔助工程技術在 20 世紀 80 年代隨著計算機技術和迅猛的發(fā)展而發(fā)展。所謂虛擬樣機技術是建立在第一個物理樣機之前，利用計算機技術建立產(chǎn)品的計算機模型基礎上，通過在真實的工作環(huán)境中進行仿真分析的可視化仿真運動學和系統(tǒng)動力學的實體，并多次修改后的設計，最后得到的優(yōu)化 設計。  壓桿三維 模型的建立  模的一般過程如下 ：  （ 1） 建立或選取基準特征作為模型空間定位的基準 :如基準面、基準軸和基準坐標系等。建立每個實體特征時 ， 都要利用基準特征作為參照。  （ 2） 建立基礎實體特征 :拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。  （ 3） 建立工程特征 :孔、倒角、肋、拔模等。  （ 4） 特征的修改 :特征陣列、特征復制等編輯操作。  壓桿 導向筒  圖 3壓桿導向筒  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 9 壓桿 內(nèi)、外缸筒  圖 3壓桿 內(nèi)、 外缸筒  壓桿 活塞  圖 3 壓桿活塞  壓桿 缸蓋、開關頂桿  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 10 圖 3壓桿缸蓋、開關頂桿  壓桿 虛擬裝配  虛擬裝配技術是專為中的關鍵一環(huán)，它被定義為利用電腦工具虛擬制造中心，產(chǎn)品并不一定是物理模型的實現(xiàn)，通過分析，預測模型，可視化的數(shù)據(jù)表示與組件相關聯(lián)工程決策的。虛擬裝配是計算機零部件預組裝的產(chǎn)品，使結果的產(chǎn)品裝配工藝，裝配分析和評價。虛擬裝配是多項技術，包括可視化，仿真，決策理論，組裝和制造過程，裝配生產(chǎn)設備開發(fā)技術的組合。利用虛擬裝配技術，以減少產(chǎn)品開發(fā)時間，響應迅速推向市場 ;先進的設計方法和工具使設 計人員能夠方便應用，提高裝配質(zhì)量，降低成本。目前，虛擬裝配技術沒有完全被業(yè)界采用，系統(tǒng)的商業(yè)化尚未到來。然而，作為一種技術，它通常被認為是一種可行的和有價值的。  裝配設計方法分為 三 種 ：  （ 1） 自底向上方法：從底層逐步向上裝配，將每個零件加入到裝配體中，這些零件已經(jīng)設計完成，例如標準件，己經(jīng)存儲的零件等。  （ 2） 自頂向下方法：生產(chǎn)裝配在頂部，建立裝配結構，逐步增加向下的部分，子裝配體或零部件生產(chǎn)，這種設計方式更符合設計師的習慣路線，從組裝到設計的各個部分。  （ 3） 上下文設計方法：在裝配結構，采用裝配樹信息設計 零件其他部件的幾何形狀。  轉(zhuǎn)椅 液壓桿 采用自底向上的裝配方法，從底層逐步向上裝配，將己經(jīng)設計好的零件加入到裝配體中。先將相關零件組裝成子裝配體，然后把所有的子裝配體再裝配在一起，組成總的裝配體。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 11 圖 3壓桿 虛擬裝配模型  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 12 4 基于  有限元分析及優(yōu)化設計  件 概述  世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結構等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關提供了 一個優(yōu)良的工作環(huán)境，更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。  序自身有著較為強大三維建模能力，僅靠  形界面 )就可建立各種復雜的幾何模型；此外， 提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。  壓桿 基于 有限元分析  于 靜力分析  轉(zhuǎn)椅 液壓桿 主要用于 轉(zhuǎn)椅的升降 ，具有典型意義。首先定義參數(shù) 為：內(nèi)徑為 30徑為50塞桿直徑為 20程為 100小安裝距為 150作壓力為 1試驗壓力為 2 考慮到專業(yè)的 三維建模軟件  有無縫連接，利用 先建立工程 液壓桿 的模型，進而導入  ，其結果 如圖 4示。  圖 4壓桿 有限元模型  1) 定義材料屬性和網(wǎng)格劃分  通常 轉(zhuǎn)椅 液壓桿 材料為 45 號鋼，其彈性模量為 220松比為 同時考慮到 液壓桿 的結構近似為階梯軸， 高階三維實體單元 ，其中 元是 20 節(jié)點六面體單元，仿真精度高，因此利用 體結構單元可以很好模擬 液壓桿 的結構強度。 采用自由網(wǎng)格 (分 ， 得到模型節(jié)點數(shù) 24602 ，單元數(shù)  12798。其網(wǎng)格模型如圖 4示。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 13 圖 4壓桿 網(wǎng)格劃分效果圖  2) 添加接觸單元  因活塞與缸筒之間，活塞桿與導向套之間是相對滑動的，因此需要建立接觸對，利用接觸向?qū)υ捒驅(qū)钊麠U與導向套之間和活塞與缸筒之間建立接觸對能夠?qū)崿F(xiàn)模擬活塞桿與缸筒之間的運動情況。設定接觸剛度比例因子為  3) 施加約束和載荷  對構件進行有限元分析時，為使數(shù)值解存在且唯一，需要對結構的剛體位移進行消除，使總體剛度矩陣保持非奇異性。考慮到 程用型 液壓桿 在實際工程中的具體應用情況，針對 扭轉(zhuǎn)情況，則設定 3 個旋轉(zhuǎn)自由度 兩端的耳環(huán)處 ，設定 1 個繞軸的旋轉(zhuǎn)的自由度來 模擬鉸接約束。 同時設定 對稱約束。  由于 液壓桿 的實際工作壓力為 1據(jù)國家規(guī)定的試驗加載方式，對 液壓桿 進行 2 倍載荷的施加，即對 液壓桿 施加 2力，分別對缸體內(nèi)表面、下表面及活塞底端施加載荷。其約束和載荷的加載情況如圖 4示。  圖 4壓桿 的約束和載荷  處理部分是將結果可視化，可幫助用戶有效、快捷地分析計算結果。 啟動 紙  咨詢 14951605 14 求解器對其進行分析求解 ，獲得位移云圖、應力云圖結果等具有借鑒意義的數(shù)據(jù)分析結果。  圖 4壓桿 的靜力位移云圖  從圖 4可知道紅色部分變形量最大，最大值位于 ，最小值位于 。從其中 液壓桿 的最大變形為 于活塞處。  圖 4壓桿 的靜力應力云圖  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 15 圖 4壓桿 的靜力局部應力云圖  從圖 4可知，最大應力為 位于耳環(huán)與活塞桿的連接處。圖 6 為活塞桿與耳環(huán)連接處的應力分布。最大應力位于耳環(huán)與活塞桿的連接處，其應力值為 中 45 號鋼的屈服強度為 360拉強度為 610 液壓桿 的安全系數(shù)為：  3 6 0 / 1 7 5 2 n 由于 45 號鋼的安全系數(shù)為 以 液壓桿 的設計滿足強度要求。  于 屈曲 分析  當結構所受的載荷達到某一值時，若增加一微小的增量，則結構的平衡位形將發(fā)生很大的改變，這種現(xiàn)象稱為結構屈曲或結構失穩(wěn)。而在很多工況場合，當 液壓桿 的軸向力達到和超過一定的限度即臨界載荷時就會出現(xiàn)失穩(wěn)，使構件失效，最終導致相關的裝置發(fā)生坍塌，由于這種突發(fā)失效具有突發(fā)性，常常帶來災難性的的后果 5。  轉(zhuǎn)椅 液壓桿 活塞桿 為關鍵承載部件，主要 承受軸向載荷， 特別是 當活塞桿直徑與活塞桿的 計算長度之比大于 10 時， 必須 校核活塞桿的縱向彎曲強度。具體校核步驟如下：  1）計算靜力解 ，結果如圖 4 需要購買對應 紙  咨詢 14951605 16 圖 4塞桿靜力位移云圖  2）計算特征值屈曲解（包括定義分析類型為屈曲分析、設定分析選項、設定載荷步選項 ， 完成上述設置并保存模型文件后， 進入 解器 進行求解）。  對 轉(zhuǎn)椅 液壓桿 提取一階屈曲形態(tài)， 得到活塞桿的位移云圖，其中特征屈曲系數(shù)為 圖 4示。其單位壓力 2加橫截面積為 231012.3 m ，最終活 塞桿的失衡屈曲載荷為：  F=特征屈曲系數(shù)  截面面積 單位壓力 613 10 N  計算結果看出，其值遠大于液壓推力 46 10N ，所以 液壓桿 不容易發(fā)生屈曲變形，即構件系統(tǒng)是穩(wěn)定性的， 液壓桿 結構合理 。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 17 圖 4一階屈曲形態(tài)  于 模態(tài) 分析  液壓桿 在運動中極易發(fā)生共振現(xiàn)象，針對這個問題，通過計算 液壓桿 的固 有頻率對于避免共振問題具有重要意義。具體分析步驟如下：  在使用 行 靜力解計算 時 ，注意一定要激活預應力效應； 然后進行 模態(tài)分析解計算（包括定義分析類型為模態(tài)分析、設定分析選項，選用 法提取模態(tài)，模態(tài)數(shù)設置為 4、指定載荷步選項、設定輸出控制選項，之后進行求解）。  為 清晰 地顯示發(fā)生共振后的變形，提取了一階模態(tài)和二階模態(tài)的變形云圖，如圖 4示。  圖 4階模態(tài)的變形云圖  圖 4階模態(tài)的變形云圖  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 18 由圖 4以看出， 通過對 轉(zhuǎn)椅 液壓桿 一階模態(tài)的固有頻率進行計算 ，其結果為 z，由圖 4示 二階模態(tài)的固有頻率為  而且 最大位移在缸筒與活塞桿的連接處，發(fā)生比較大的變形，其值遠大于靜力分析所求的值，對 液壓桿 損害性很大，因此通過計算模態(tài)可以有效避免共振的發(fā)生，具有很重要的工程價值。  壓桿 優(yōu)化設計  根據(jù)上述有限元分析結果，對 關于液壓桿的計算結果進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后結果如下，詳細結構參見附件 紙。  需要購買對應 紙  咨詢 14951605 19 總  結  畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會，通過這次對變電站巡檢全向移動小車理論 知識和實際設計的相結合，鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部