气动系统的设计计算

气动系统设计问题描述：使用切割装置剪切固定尺寸的纸张。

按下两个启动按钮后，切割刀前进对纸张进行剪切。

松开按钮后，切割刀缩回到开始位置。

条件：切割装置气动气体设计最大工作压力：P=0.8MP ；负载力：F=300N ；气缸行程：L=200mm ；气缸杆伸出缩回时间各取t=5s气动系统的设计计算（一）缸的设计计算1、缸的主要尺寸的计算1.1、计算气缸内径Dp Fπ4D ==0.022m式中：F---液压缸上的最大外负载；p---液压缸的工作压力；D---缸内径；圆整为标准直径取值：D =25mm1.2、计算活塞杆直径dd=0.707D=17.7圆整为标准直径取值：d =12mmφ---气缸的往复速度比；由表4.4得φ=1.33D---缸内径；d---活塞杆直径；2、气缸的耗气量计算2.1、活塞杆外伸行程的耗气量1qa a 121p p p t L 4D q +=πp---气缸的工作压力；D---缸内径；L---气缸行程；1t ---缸外伸行程的时间；a p ---气缸行程；2.2、活塞杆外伸行程的耗气量2q()a a 2222p p p t L 4d -D q +=πd---活塞杆的直径；2t ---杆内缩行程时间；3、缸的强度计算与校核3.1、缸筒壁厚δ的计算缸筒是液压缸和气压缸中最重要的零件，他承受液体或气体作用的压力，其壁厚须进行计算。

活塞杆受到轴向压缩负载时，为避免发生轴向弯曲，还应进行压杆稳定性验算。

中、高缸一般用无缝缸做缸筒，大多属薄壁筒，即D/d ≥10时，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算，即：[]σδ2pD ≥ []σ---缸筒材料的许用应力p---气缸的工作压力；δ---薄壁缸筒厚；圆整为标准壁厚取值：δ=5mm ；3.2、活塞杆的稳定性缸保持稳定的条件为：crcr n F F ≤ F---液压缸上的最大外负载；cr F ---活塞杆不产生弯曲变形的临界力；cr n ---稳定性安全系数，一般取cr n =2~6； 由于细长比i m >kl 22cr l i F EJ π≤l---安装长度，其值与安装形式有关，见表4.6；k---活塞杆最小截面的惯性半径，Al k =； m---柔性系数，对钢取m=85；i---由缸支承方式决定的末端系数，其值见表4.6； E---活塞杆材料的弹性模量，对钢取E=a 11p 102.06⨯； J---活塞杆最小截面的惯性矩；A---活塞杆最小截面的截面积；由以上数据得有关公式计算：N 105.020********.062l i F 52411222cr⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πππEJ N 300N 108.36105.0n F F 45cr cr 1>⨯=⨯== 所以稳定性符合要求。

气动系统设计步骤气动系统设计步骤2009-07-14 08:53第五节气动系统设计的主要内容和步骤设计气动系统就是根据工作设备的控制功能要求，从种类与机能众多的元件中选择性能和参数最适合的元件，并将其巧妙合理地组合配置。

主要设计内容包括:系统方案的确定，气动元件的选型，管道设计，空压机的选型等。

气动系统的设计一般按下列步骤进行一、明确工作要求设计前一定要明确主机对气动系统控制的要求，主要包括以下几个方面:(1)运动和操作力的要求如主机的动作顺序，动作时间，运动速度及其可调范围，运动的平稳性，定位精度，操作力以及联锁和自动化程度等。

(2)工作环境条件如温度，防尘，防爆，防腐蚀要求及工作场地的空间等。

(3)与机、电、液控制相配合的情况，及其对气动系统的要求。

二、设计气动控制回路(1)列出气动执行元件的工作程序图。

(2)绘制X-D线图或卡诺图等，也可直接写出逻辑函数表达式。

(3)绘制逻辑原理图。

(4)绘制气动回路原理图。

(5)设计控制回路，根据实际情况合理选用全气控、电-气控制、逻辑控制，或者PLC控制等控制方案。

三、确定执行元件的规格确定执行元件的类型，如:气缸、摆动气缸或气马达。

执行元件的规格和安装形式，例如气缸，在确定其规格时，必须考虑:气缸的驱动力，摩擦阻力，运动速度，气缸的耗气量，结构尺寸和行程，传感器的安装位置，是否需要缓冲，工作温度范围，以及气缸的工作方向等。

在设计中，应该优先考虑采用标准规格的气缸。

四、确定气动控制控制阀1.确定控制元件类型2.确定控制元件的规格。

一般控制阀的通径可按阀的工作压力与最大流量确定。

(1)方向控制阀的规格根据执行元件的规格来确定方向控制阀的规格，选择时必须明确以下各项:流量特性，响应特性，工作温度范围，安装尺寸，最低工作压力和所用的润滑油等;并确定这些特性与执行元件之间是否匹配，能否满足系统的工作要求。

注意，选用方向控制阀的通径应该尽量一致，以便于配管。

(2)流量控制阀的规格流量控制阀包括节流阀和缓冲阀等，其性能对气缸运动的平稳性具有很大的影响。

航空器气动设计的最新计算方法在航空领域，航空器的气动设计一直是至关重要的环节。

随着科学技术的不断进步，新的计算方法层出不穷，为航空器的设计带来了更高的精度和效率。

传统的气动设计方法主要依赖于风洞试验和经验公式。

风洞试验虽然能够提供较为准确的结果，但成本高昂、周期长，而且对于复杂的气动外形，试验结果的准确性也会受到一定的限制。

经验公式则往往基于有限的试验数据和简化的理论模型，适用范围有限。

近年来，计算流体力学（CFD）方法在航空器气动设计中得到了广泛的应用。

CFD 通过数值求解流体流动的控制方程，能够模拟复杂的流场结构和气动现象。

其中，基于雷诺平均NavierStokes（RANS）方程的CFD方法是目前工程应用中最为常见的。

然而，RANS方法在处理一些复杂的流动现象，如大分离流动、湍流过渡等方面仍存在一定的局限性。

为了克服这些局限性，一些新的计算方法应运而生。

其中，脱体涡模拟（DES）和大涡模拟（LES）方法受到了广泛的关注。

DES方法结合了RANS和LES的优点，在近壁面区域采用RANS 模型，而在远离壁面的区域采用LES模型。

这样既能保持RANS方法在近壁面计算的高效性，又能在远离壁面的区域捕捉到大规模的涡结构，提高对分离流动的预测能力。

然而，DES方法在网格分辨率和模型切换等方面仍存在一些问题需要进一步研究和解决。

LES方法直接求解大尺度的涡结构，对湍流的模拟更加准确。

但由于其计算量巨大，目前在全机规模的气动设计中应用还比较有限。

为了提高LES方法的实用性，一些基于LES的混合方法，如分离涡模拟（DVS）和尺度自适应模拟（SAS）等被提出。

除了上述基于湍流模拟的方法，基于优化算法的气动设计方法也取得了重要的进展。

多目标优化算法、遗传算法等被广泛应用于航空器的气动外形优化设计。

这些算法能够在给定的设计空间内自动搜索最优的气动外形，大大提高了设计效率。

在优化过程中，伴随方法的应用也显著提高了计算效率。

气动系统的设计计算气动系统的设计一般应包括：1）回路设计；2）元件、辅件选用；3）管道选择设计；4）系统压降验算；5）空压机选用；6）经济性与可靠性分析。

以上各项中，回路设计是一个“骨架”基础，本章着重予以说明，然后结合实例对气对系统的设计计算进行综合介绍。

1气动回路1.1气动基本回路气动基本回路是气动回路的基本组成部分，可分为：压力与力控制回路、方向控制（换向）回路、速度控制回路、位置控制回路和基本逻辑回路。

表42.6-1气动压力与力控制回路及特点说明简图说明1.压力控制回路一次压控制回路主要控制气罐，使其压力不超过规定压力。

常采用外控式溢流阀1来控制，也可用带电触点的压力表1′，代替溢流阀1来控制压缩机电动机的启、停，从而使气罐内压力保持在规定压力范围内。

采用溢流阀结构简单、工作可靠，但无功耗气量大；后者对电动机及其控制要求较高二次压控制回路二次压控制主要控制气动控制系统的气源压力，其原理是利用溢流式减压阀1以实现定压控制高低压控制回路气源供给某一压力，经二个调压阀（减压阀）分别调到要求的压力图a 利用换向阀进行高、低压切换图b 同时分别输出高低压的情况差压回路此回路适用于双作用缸单向受载荷的情况，可节省耗气量图a 为一般差压回路图b 在活塞杆回程时，排气通过溢流阀1，它与定压减压阀2相配合，控制气缸保持一定推力2.力控制回路串联气缸增力回路三段活塞缸串联。

工作行程（杆推出）时，操纵电磁换向阀使活塞杆增力推出。

复位时，右端的两位四通阀进气，把杆拉回增力倍数与串联的缸段数成正比气液增压缸增力回路利用气液压缸1，把压力较低的气压变为压力较高的液压，以提高气液缸2的输出力。

应注意活塞与缸筒间的密封，以防空气混入油中1.1.1压力与力控制回路（见表42.6-1）1.1.2换向回路（见表42.6-2）表42.6-2气动换向回路及特点说明简图说明1.单作用气缸换向回路二位三通电磁阀控制回路图a 为常断二位三通电磁阀控制回路。

管路气动设计方案
在管路气动设计方案中，我们需要考虑到多个因素，比如管道的材质、管道的直径、管道的长度、气体流速等。

下面是一个管路气动设计方案的示例，供参考。

首先，我们需要选择合适的管道材质。

根据气体的性质和工作环境的要求，可以选择不锈钢、铜、塑料等材质的管道。

对于要求高压和高温的工作环境，一般会选择不锈钢管道，而对于一般工作环境，可以选择铜或者塑料管道。

其次，我们需要确定管道的直径。

管道的直径与气体的流量有关，一般情况下，流量越大，管道的直径就应该越大。

我们可以利用流量公式来计算出合适的管道直径，公式如下：
Q=πd^2/4×v，其中Q代表流量，d代表管道直径，v代表气体的流速。

然后，我们需要确定管道的长度。

管道的长度会影响气体的压力损失，一般情况下，管道越长，压力损失就越大。

我们可以利用管道压力损失公式来计算出合适的管道长度，公式如下：
ΔP=K×(ρ×L×v^2/2)，其中ΔP代表压力损失，K代表管道的阻力系数，ρ代表气体的密度，L代表管道的长度，v代表气体的流速。

最后，我们需要确定气体的流速。

气体的流速与管道直径、气体的流量有关，一般情况下，流速越大，流量也就越大。

我们
可以通过调整管道的直径和气体的流量来达到合适的流速。

综上所述，一个管路气动设计方案需要考虑到管道的材质、管道的直径、管道的长度、气体的流速等多个因素，并根据实际情况进行合理的选择和计算。

以上是一个基本的管路气动设计方案的示例，希望对您有所帮助。

气动设计的CFD数值模拟及优化随着工业的发展和科技的进步，气动设计在各个行业中都扮演着重要的角色。

比如汽车、航空航天、建筑、能源等各种领域的研发工作都需要气动学的知识。

而气动设计的CFD数值模拟及优化技术，也成为了这些工程实践中重要的一部分。

下面，我们就来说一说气动设计的CFD数值模拟及优化技术。

一、CFD数值模拟的基本原理CFD(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体力学，是利用计算机数值模拟流体在空间和时间上的运动、变化和相互作用的一种方法。

在气动设计中，CFD 数值模拟可以对气流进行分析和模拟，提供了可视化的方式来观察实际系统中的流场，最大限度地发挥设备的作用。

CFD计算流体力学的工作流程包括以下几个步骤：（1）建立几何模型：根据需要，选择合适的几何模型，以及相应的数据导入格式如IGES、STEP、STL等，进行模型导入。

（2）网格划分：确定模型的流动范围，并划分为多个相邻的小网格。

合理的网格划分可以更好地反映物体表面形态等数据，从而提高计算效率并减小误差。

（3）设定数值模型：根据需要，设置流动方程、物理模型、边界条件、计算区域、计算网格等。

（4）计算流动场：运用计算机对所设定的数值模型进行求解，并获取流动场的数值分布和特性参数。

一般计算过程需要使用数值方法，如有限元方法、速度增量法、声波分析法等。

（5）结果评价和分析：对所取得的流动场结果进行评价和分析，包括物理特性、流动速度、温度场等。

二、气动设计中的CFD数值模拟应用气动设计中的CFD数值模拟可以在实验前预测设计效果，也可以为详细的实验设计提供重要的指导信息。

在地址这一方面，气动设计中CFD数值模拟有以下应用：1.气动外形优化：气动外形优化是指在气动学和结构力学约束条件下，利用CFD数值模拟来进行气动外形的参数优化，从而实现外形的最佳效果。

在外形优化过程中，不断地调整参数，通过CFD模拟验证参数的合理性，加速气动设计的过程，提高设计效率。