法兰支承液压缸结构的遗传算法优化设计

　　1 引言

　　液压缸是液压机的重要部件之一,长期以来在液压缸结构设计中,一些主要结构参数的选取还是根据经验方法,通常根据设计要求的原始条件及数据,参考同类型结构的技术资料,适当改变某些参数或从几种现有方案中选取一种作为初始设计方案,然后进行结构的强度、刚度、稳定性等方面的分析与计算,必要时再配合以模型或样机试验,获得分析计算结果或有关试验数据资料后,认可或修改原始的设计方案,再做分析计算或试验等,直到选定满意的设计。这种设计程序设计过程繁琐、效率低下,初始设计方案在很大程度上会影响最后的选定方案的合理性。因为无论是对结构的分析计算或通过模型试验等手段,都只是对初选方案起到安全校核的作用,因而最终选定的方案通常仅是一种可行的而不是最优的设计。结构优化设计则可以使结构设计从被动地进行安全校核转变为主动地从各种可能的结构设计方案中寻求最完善的或最适宜的优化方案。本文以公称压力为600 kN,型号为YS41-60的新型单臂开式伺服驱动液压机的油缸优化为应用背景,进行了相关的研究工作。

　　2 液压缸缸筒的应力分析

　　液压缸的受力状况可以分为3个部分来分析,即中间壁厚圆筒、法兰和缸底。理论分析和应力测试均表明,只有在与法兰支承外表面及缸底内表面距离各为1.5_r2的缸筒中段,才可以按照壁厚圆筒公式进行强度计算^[1]。

　　2.1 中段圆筒部分

　　对于较长的液压缸,其中间部分是一个等厚度、并承受均匀分布内压的厚壁圆筒,除有轴向拉应力σ_z外,尚有由内压p引起的径向压应力σ_r(内壁最大,向外逐渐减小,到外壁为零)和切向拉应力σ_t(内壁最大,向外逐渐减小),是三向应力状态,如图1所示。

　　采用Von Mises强度准则,缸内壁最大合成当量应力为:

　　式中,[σ]为许用应力(MPa),为材料屈服点(MPa);n_s为安全系数,可取2~2.5;r₁、r₂分别为缸内、外壁半径(mm)。

　　2.2 法兰过渡部分

　　包括从法兰上表面以上1.5_r2范围内的缸体。由于法兰与横梁接触的环形面积上作用有支承反作用力P,如图2所示,从而在这部分引起很大的弯曲应力^[2]。在过渡圆弧处,由于断面形状变化急剧,产生应力集中。

　　对于法兰上表面A-A截面(图2),总的轴向拉应力σ_z为在法兰与缸体圆筒连接处外表面由弯矩M产生的轴向拉应力σ_cz与由总的轴向力P_H引起的轴向拉应力之和,即: