基于有限元的捞雷具液压缸结构优化设计

　　在鱼雷的实验研制过程中, 对实验鱼雷的打捞和回收, 是各国海军十分关注的问题。发射后实验鱼雷的一部分斜插入湖底的泥土, 但尾部露在泥外, 称为半埋雷状态。研制半埋雷打捞装置, 为半埋雷的回收工作开辟了一条途径, 同时对全埋雷的打捞也有一定的借鉴作用。

　　捞雷具是以夹紧和进给机构夹持定位于鱼雷壳体上。夹紧和进给机构共有15个液压缸, 通过减轻各油缸的净质量,可以有效减轻捞雷具本体的总质量, 保证水下鱼雷打捞过程的顺利进行。

　　有限元理论的日趋成熟, 促进了有限元优化设计在工程中的广泛应用。它主要研究如何确定连续体结构的边界形状或者内部几何形状, 以改善结构的特性。在捞雷具液压缸设计中, 引入有限元优化设计, 可以降低应力集中、改善应力的分布状况、提高疲劳强度、延长结构寿命, 提高材料的利用率, 使载荷能够均匀分布在结构的材料上。因此, 将有限元的优化方法, 应用于捞雷具液压缸设计具有十分重要的意义。

　　1 捞雷具夹紧机构工作原理

　　夹紧和进给机构由四组(每组三个在圆周上均布)夹紧油缸、可移动油缸和三个进给油缸组成( 如图1所示) 。前后两组夹紧油缸固定在捞雷具上,中间两组油缸连接在进给油缸的两活塞杆上,并可沿导轨相对捞雷具作前后移动。工作时,最前和最后的两组固定在捞雷具上的夹紧爪抬起松开,而中间两组可移动夹紧爪夹紧在鱼雷壳体上,然后进给油缸组自右端输入压力油,则捞雷具相对鱼雷壳体向前实现进给运动。当捞雷具相对鱼雷体轴向移动一个给定的行程S后, 可移动夹紧爪松开,固定夹紧爪夹紧,这时由进给油缸组的左端进入压力油,可动夹紧爪在进给油缸的活塞带动下, 沿导轨相对捞雷具向前移动一个空行程S,这样, 夹紧进给机构完成了一个动作循环。重复上述动作,就可以不断地使捞雷具沿鱼雷体轴向进给,改变动作顺序也可以使捞雷具沿鱼雷体轴向后退。

　　2 有限元优化模型

　　2.1 活塞杆网格及结构优化模型

　　同一结构有多种可行方案, 合理选择建模方案, 合理选择单元类型及离散化程度, 是结构有限元分析能否达到预期目的的关键。在如实反映结构主要力学特性的基础上, 应力求采用较简单的模型。鉴于液压缸结构的对称性, 可将活塞杆简化为轴对称问题。其有限元模型如图2所示。

　　活塞杆的优化设计目的, 是使其在满足所需的强度和刚度要求后, 尽可能地减小体积。

　　常规设计结果:活塞杆半径R=9mm, 活塞杆长度l=154mm。由于活塞行程一定, 故以活塞杆半径R为优化设计变量。