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书山有路勤为径，学海无涯苦作舟高压径向柱塞泵连杆的有限元分析为了提高径向柱塞泵的额定压力，在JBP-40 型径向柱塞泵的基础上进行改进，将额定压力由28MPa 提高到35MPa。
在高压下对该径向柱塞泵的连杆进行受力分析，并采用ANSYS 软件对其进行静力学有限元分析，验证其强度和刚度。
结果表明当额定压力提高到35MPa 时，连杆的强度和刚度是足够的，为高压径向柱塞泵的研究提供了依据。
引言径向柱塞泵是一种容积效率高、运转平稳、流量均匀性好、噪声低、工作压力高的新型液压元件。
我校所研制的新型变量径向柱塞泵目前属国内领先技术，但仍不能满足工程机械对高压径向柱塞泵的需求。
因此在节约成本、简化工艺的前提下，对该径向柱塞泵进行改进，将额定压力由28MPa 提升到35MPa，实现径向柱塞泵的高压化，是企业迫切需要解决的难题。
连杆作为径向柱塞泵的关键零件之一，承受压缩力及弯矩的共同作用，故决定在高压35MPa 下对JBP-40 型径向柱塞泵连杆进行有限元分析。
1、径向柱塞泵简介新型径向柱塞泵是一种轴配流径向柱塞泵，柱塞在转子(缸体)内成辐射状配置，滑靴与定子构成一对高速滑动摩擦副。
柱塞、转子柱塞孔和配流轴形成密闭容腔，当柱塞向外移动伸出时，密闭容腔增大并与配流轴的进油口相通，液压油液被吸入密闭容腔;当柱塞向内收缩时，密闭容腔减小并与配流轴的出油口相通，液压油液被排挤到出油口。
每转1 周，7 个柱塞各完成一次吸油和排油。
由大小控制柱塞控制定子的偏心距，通过改变偏心距的大小改变排量。
根据工况需要改变泵轴旋转方向时，液流进出油口也将改变。
JBP-40 型径向柱塞。
配流盘作为轴向柱塞泵中的一个重要零件，在柱塞泵中发挥着至关重要的作用。
国内外的许多学者和学校在柱塞泵方面都投入了大量的人力、物力和财力，如国外的J.M.Bergada 和S.Kumar 用实验平台测量了在不同转速、不同出口压力及斜盘倾角时压力波动的动态参数；国内李守俊等对柱塞泵配流盘的阻尼槽进行了优化改进。
本文将对配流盘材料进行仿真研究，并采用黄铜与镍铜合金对配流盘在压油口的位移变形量进行仿真分析。
柱塞泵结构如图1所示。
1.轴封；2.安装口法兰；3.衬板；4.定位环；5.柱塞/滑靴；6.阀/止推板；7.斜盘；8.柱塞缸；9.弹簧；10.孔板；11.冲洗阀；12.轴承壳；13.螺栓；14.放油塞图1 柱塞泵示意图1 配流盘的参数设计本文研究过程中，已知配流盘各项参数如下：额定压力15MPa 、额定流量100L/min 、额定转速1000r/min 、倾角12°，柱塞数为9。
那么柱塞直径如式（1）、式（2）所示。
1000.1L /r 100mL/r 1000r q ===（1）2.41cm d（2）最后直径d 取25mm 。
柱塞分度圆直径D 计算方法如式（3）所示。
2410.64cm πtan rq D Zd α==（3）最后柱塞分度圆直径D 取107mm柱塞的平均速度计算方法如式（4）所示。
1tan 1515.351000tan12°=0.76m/s 15v Rn α==××× （4）配流盘开口角度为21°，吸口腰型孔和排口腰型孔为132°柱塞泵的额定输出功率如式（5）所示。
P =15×106×1.7×10-3=25.5kW （5）本文研究的泵的总效率η为75%，即需要输入功率P λ=P/η=34kW ；每个柱塞的功率P 1=34/4=8.5kW ，所以柱塞的轴向力F=P 1/v -=11185N,则柱塞腔内压强p m如式（6）所示。
柱塞泵的结构及工作原理柱塞泵是一种常见的液压泵，主要应用于工业、建筑机械、石油、化工、船舶等领域，其结构和工作原理如下。
一、结构柱塞泵主要由泵体、泵盖、柱塞、连杆、进口阀、出口阀、压力调节阀、密封件等部分组成。
1.泵体和泵盖采用铸钢或铸铁材料制成，是柱塞泵的主要支撑部分。
2.柱塞是柱塞泵的核心组件，其材料通常采用高质量的合金钢或不锈钢，具有抗磨损、耐腐蚀等特性。
3.连杆将柱塞与曲轴连接，用于将曲轴转动的动力传递到柱塞上。
4.进口阀和出口阀是控制柱塞泵流程的关键部分。
进口阀通常安装在泵体顶部，用于控制液体进入泵体。
出口阀通常安装在泵体底部，用于控制液体从泵体出流。
进口阀和出口阀都是单向阀，防止逆流。
5.压力调节阀用于调节泵的出口压力。
当压力达到设定值时，压力调节阀会自动关闭进一步流量输入系统，并维持压力的恒定。
6.密封件是柱塞泵中非常重要的部分，用于防止泵内液体泄漏，并使泵的密封性保持稳定。
根据需要，可选择不同材料的密封件。
二、工作原理柱塞泵的工作原理是建立在泵体与柱塞、曲轴之间的相互作用之上。
1.进水口打开，液体进入泵体。
当某一根柱塞向上移动时，将创建一个低压区域，使液体被吸入泵体中。
2.随着曲轴的转动，柱塞就开始朝向泵盖移动。
液体就随着柱塞一起前进，这时候的压力在增加。
直到压力大到足以打开出口阀门时，液体将被排放到系统中。
这个过程是非常重要的，在这个过程中，液体被压缩，而随着柱塞前进，液体的压力也不断增加。
3.出口阀关闭，防止回流。
然后，同样的过程在相邻柱塞中发生，继续推送液体。
在动力传递过程中，柱塞的下降是由重力或加压作用而发生的，该动力与液体点击产生的反作用力相对应。
总结：柱塞泵的成本相对较高，但其广泛应用于各类工程，并得到广泛认可。
柱塞泵的结构和工作原理也非常稳定和可靠，其应用领域也非常广泛。
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The finite element analysis of axial piston pump cylinder Abstract:With the continuous development of hydraulic transmission and control technology, the performance of the axial piston pump is put forward higher request.For research, design and development of high performance of axial plunger pump, simply use the traditional physical experiment method, takes work, change the parameters or conditions difficult, sometimes impossible.In this paper, finite element analysis was carried out on the axial piston pump cylinder, providing theoretical basis for the design of the plunger pump.Papers on the structure of the axial piston pump and the working principle of Pro/E, ANSYS software knowledge is analyzed.In Pro/E established SCY14-1 b 3 d model of axial piston pump cylinder, interface of Pro/E and ANSYS are analyzed and discussed, choose a better file format transfer, complete SCY14-1 b axial plunger pump geometry model;Using finite element analysis software ANSYS SCY14-1 b of axial piston pump cylinder carried out modal analysis and the structure statics analysis, to get its six order modal vibration mode and stress of the concrete situation.Keywords: ANSYS，Pro/E，The axial plunger pump，Finite Element Method1 绪论 (4)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 (3)2 轴向柱塞泵的工作原理 (4)2.1组成 (4)2.2原理 (4)3 轴向柱塞泵几何建模 (5)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)4.2 ANSYS简介 (11)4.2.1 ANSYS的发展 (11)4.1.2 ANSYS 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]。
中北大学
毕业论文开题报告
学生姓名：曾一峰学号：0902034144 学院、系：机械工程与自动化学院
专业：工程装备与控制工程
设计题目：轴向柱塞泵缸体的有限元分析
指导教师:魏秀业副教授
2013 年 3 月 25 日
开题报告填写要求
1．开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。
此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。
文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如020*******），不能只写最后2位或1位数字；
5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。
如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。
毕业论文开题报告
毕业设计开题报告
毕业设计开题报告。
收稿日期:2006204215作者简介:杨智炜(19742),男,浙江宁波人,浙江大学硕士研究生,机械电子工程专业,从事轴向柱塞泵和动力学仿真研究。
基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵特性仿真杨智炜,徐 兵,张 斌(浙江大学流体传动与控制国家重点实验室,杭州 310027)摘 要:为了对柱塞泵的特性进行研究,以ADAMS 为平台,结合Pro/E 中建立的三维模型、ANSYS 柔性化处理和AM ES 2im 中建立的液压系统模型,建立了HAWE V30型柱塞泵的虚拟样机。
对配流盘位置与压力冲击,泵出口容积与压力脉动,柱塞运动特性和主轴应力应变进行了分析。
基于虚拟样机技术的仿真研究,物理意义明晰,分析灵活方便,对于研究分析柱塞泵性能具有重要意义。
关键词:虚拟样机技术;轴向柱塞泵;仿真;ADAMS ;AM ESim 中图分类号:T H137 文献标识码:A 文章编号:100820813(2006)0320033204Simulation of axial piston pump characteristic basedon virt ual prototype technologyYAN G Zhi 2wei ,XU Bing ,ZAN G Bin(The Key State Lab of Fluid Power Transmission and Control ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :In order to study the characteristic of piston pump ,a virtual prototype of the HAWE V30piston pump is devel 2oped ,which is a dynamic simulation method in ADAMS ,combined with modeling in Pro/E ,flexibility analyzed by ANSYS ,and hydraulic modeling in AM ESim.The pressure ripple related to the position of swash plate ,the pressure pulsations relat 2ed to pump outlet volume ,the kinetic characteristic of the piston ,the stress and strain of the shaft are analyzed.Because of its clear physical concept and flexible analysis ,the simulation based on virtual prototyping is more convenient for the research into the characteristics of piston pump.K ey w ords :virtual prototype technology ;axial piston pump ;simulation ;ADAMS ;AM ESim 1 引言随着液压传动与控制技术的不断发展,对柱塞泵的性能提出了更高的要求,为研究和设计高性能的柱塞泵,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。
并且柱塞泵的某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合,液压系统又大量存在非线性环节,因此若采用通常的理论分析法,其结果往往与实际相差甚远。
虚拟样机技术的发展为这类非线性复杂系统进行精确的仿真研究提供了可能性。
虚拟样机(Virtual Prototyping )技术是一项新生的工程技术。
借助于这项技术,用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动和动力特性,它以对象的动力学/运动学模型为核心,其他相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。
由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机,因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[1]。
本文利用虚拟样机技术集成化的特点,以多体系统动力分析仿真软件ADAMS 为核心,结合CAD 软件Pro/E 中建立的三维模型、有限元分析软件ANSYS 柔性化处理和系统仿真软件AM ESim 中建立的液压系统模型,建立了柱塞泵的虚拟样机。
进行仿真便可以得到柱塞泵流量与压力脉动,部件应力、应变等精确的结果。
利用虚拟样机技术,改变参数方便,与客观实际一致性好,省时省力,可缩短研究周期,提高研究质量。
2 柱塞泵虚拟样机的建立柱塞泵实现机械能向液压能的转化,因此不能单独从纯机械动力学的角度来分析。
这里的仿真其实是一个液固耦合仿真,本文将AM ESim 中的液压模型与ADAMS 中的机械模型联系起来,进行联合仿真。
又因为柱塞泵某些部件的柔性显著,其弹性变形对系统整体运动的影响已不能忽略,所以对柱塞泵进行运动学和动力学仿真研究,要采取刚柔耦合的方法进行。
本文集成有限元分析软件ANSYS 和机械系统动力学仿真软件ADAMS 两种软件的功能来进行刚柔耦合仿真。
因此,在本文中柱塞泵虚拟样机的建立综合使用了CAD 软件、有限元分析软件、系统仿真软件和机械系统动力学仿真软件,四者之间的数据传递关系如图1所示。
图1 柱塞泵虚拟样机的数据流33211 建立柱塞泵动力学模型1)三维实体模型。
由于ADAMS 所提供的三维绘图工具并不适合于复杂几何体的构建,所以采用将三维CAD 专业软件Pro/E 作为建模的前处理器,在Pro/E 中建立三维模型后,利用Pro/E 与ADAMS 的专用接口软件Mechanism/Pro 将模型输入到ADAMS 中进行下一步的分析,三维实体模型除包含部件质量、质心位置、转动惯量等内在特征参数外,还产生了具有外观材质的特征。
图2 柱塞泵三维实体模型2)动力学模型。
将从Pro/E 导入的三维模型添加各种约束和力,建立柱塞泵的动力学模型。
柱塞泵在工作过程中,各个柱塞都要经历压缩与膨胀两个过程,会受到液压油的作用力,在ADAMS 建模过程中采用样条函数A KISPL 来拟合柱塞所受的液压力,而样条曲线是由在AM ESim 中建立的液压系统仿真得出的数据文件所绘制。
3)柔性化处理。
为了准确地模拟柱塞泵的运动,对柱塞泵关键部件进行精确的动应力应变分析,就要考虑柔性体对系统运动的影响。
本文采用ANSYS 有限元分析软件对柱塞和主轴进行了柔性化处理,通过ADAMS 软件与ANSYS 软件之间的双向接口,得到柱塞泵刚柔耦合的动力学模型,进行仿真可得到部件基于精确动力仿真的应力应变分析结果,提高分析精度。
ADAMS 软件的ADAMS/Flex 模块允许在ADAMS 模型中根据模态频率数据创建柔性体部件。
ANSYS 软件则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法[2],在ANSYS 中生成柔性体部件的有限元模型之后,利用adams 1mac 宏命令输出ADAMS 软件所需要的模态中性文件(mnf 文件),此文件包含了ADAMS 中柔性体的所有信息,在ADAMS/Flex 模块中直接读入此文件即可看到柔性体部件的模型,指定柔性体与刚性体的连结方式,按实际情况定义载荷和边界条件后即得到柔性化的柱塞泵动力学模型。
图3 柱塞泵的动力学学模型212 建立柱塞泵液压模型AM ESim 软件除能按照数学方程式建模外,还为操作人员提供了按照面向原理图进行建模的方式,此种方式建立模型的优点在于完全依照物理样机的结构或原理进行建模,物理意义非常清晰,提高了工作效率。
本文在AM ESim 软件提供的五柱塞泵模型的基础上建立了九柱塞泵的液压模型,如图4。
图4 AMESim 中建立的轴向柱塞泵液压模型1)柱塞的运动分析。
如图5所示,设斜盘平面相对缸体横截面的倾角为α,取坐标系O x y z ,并以通过O x y 平面的点A (A为柱塞球头中心的起点),当缸体转过任一角度φ时,柱塞球头中心转至点B ,此时柱塞球头中心的坐标为[3]:x =-(R cos φ)tan α=-R tan αcos φy =R cos φz =R sinφ 在建立泵液压模型时,设置了一个函数f (x ,y )=tan αsinφ将柱塞的运动速度v = x =ωR tan αsinφ与斜盘倾角α与缸体转动角度φ联系起来。
图5 柱塞运动分析2)柱塞。
柱塞泵是传动轴驱动缸体旋转后,由于斜盘的作用,使柱塞产生往复运动,当柱塞底部的密闭容积不断增大时,就将形成局部真空,低压油在大气压的作用下,经过配流盘的腰形孔进入柱塞的底部,完成吸油;当柱塞底部的密闭容积不断减小时,油液受压经配流盘的另一腰形孔排出,完成压油,形成高压油。
当斜盘倾角发生改变时,泵的输出流量也就随之改变。
在AM ESim 建立的柱塞泵液压模型中,单个柱塞与缸体建立起一个可变容腔,其进出油口分别与配流盘的高低压腔相连,柱塞与缸体之间的间隙有油泄漏并通往油箱,容腔体积的变化与斜盘倾角和缸体转角发生联系,如图6所示。
43图6 单个柱塞模型3)配流盘。
图7为三角槽结构形式的柱塞泵的配流盘,与高压腔相连的三角槽为升压区,在此区域内,通过三角槽流入高压油和柱塞压缩的作用,使缸孔内压力由吸油压力逐渐上升至排油压力,以避免压力突变,同理与低压腔相连的减压区也可避免压力突变。
在AM ESim 中,利用样条曲线和信号开关分别构成了柱塞泵配流盘的高压腔和低压腔,而样条曲线与配流盘高压腔、低压腔、三角槽的角度有关系;配流盘高压腔与低压腔的开闭状态与缸体转动角度建立关系,如图7所示。
图7 柱塞泵的配流盘213 联合仿真如图8所示,本文利用ADAMS 和AM ESim 两种软件的接口ADAMS_model 子模块(子模块内包含了系统机械模型与液压模型发生联系的相关状态参数),由ADAMS/Controls (控制)模块来建立,然后在AM ESim 中通过工具插件加载,ADAMS/Controls 模块支持AM ESim 等系统仿真软件进行综合分析,它将在ADAMS 中建立的机械模型生成为在AM ESim 仿真环境中能够被识别的模块,这样在AM ESim 中可以直接将泵的机械模型作为一个可以忽略其内部细节的普通模块来使用[4]。
本文中机械模型主要是向液压模型传递斜盘的倾角状态;液压模型则向机械模型传递各柱塞所受液压力。
在真实物理系统中是通过传感器测得这些参量,而在集成的虚拟样机环境中是由在ADAMS 设置的传感器传递有关角度、位移等机构状态值,由AM ESim 中的传感器传递有关压力等液压状态值,在仿真时,每个时刻机构和液压状态值就由ADAMS_model 子模块内进行实时传递,使机械系统的动力学仿真计算与液压系统的流体传动仿真计算同时进行,并将计算结果进行实时传送,从而完成联合仿真,建成了柱塞泵的虚拟样机。
