气缸柔性体动力学及其仿真分析

发布时间：2020-07-18 12:32

【摘要】：气缸作为气动系统最重要的执行元件,被广泛应用于各种自动化生产线上。随着CAE技术的不断发展及对气缸轻量化、高可靠性的要求不断提高,气缸柔性体动力学研究的重要性也在不断增大。通过气缸柔性体动力学建模求解,不仅能得到气缸的应力分布情况、气缸径向运动特性等各种动态参数,还能为气缸的优化设计、失效分析及可靠性研究提供指导作用。基于此,本文结合理论分析、仿真模拟和试验测试等方法,对气缸柔性体动力学、气缸应力情况及其径向振动进行较为系统的研究。介绍了单杆双作用气缸的结构原理,根据气体动力学、热力学原理及牛顿第二定理等基本理论建立气缸刚体动力学理论模型,采用MATLAB/SIMULINK模块对其进行了仿真,对气缸的动态特性进行分析。基于ANSYS/LS-DYNA软件建立相应的柔性体动力学有限元模型,模拟气缸承受悬臂负载作用时的运动,分析气缸工作时的动态特性及应力分布情况。确定不同零件最大应力发生的时刻及位置,并根据各个零件最大应力发生位置的时变应力特性分析气缸的失效机理,为气缸可靠性分析提供依据。着眼于气缸各零件上交变应力特性,对柔性体气缸的活塞杆弯曲振动进行了研究。以欧拉梁模型取代一维弹性杆模型进行讨论,将气缸中的活塞杆抽象为时变长度悬臂梁,建立了对应解析模型,并基于多尺度法对模型进行求解。同时建立匀速伸出边界条件下的有限元模型,将有限元结果与解析解结果进行了比较,验证了数学模型的正确性。搭建了气缸试验平台,并利用LABVIEW采集相应的动态信号。试验结果与动力学理论结果进行了对比,验证了各模型的正确性。本文通过对单杆双作用气缸柔性体动力学及活塞杆径向弯曲振动模型的研究,为同类气缸应力分析及径向振动模型的建立提供了除有限元仿真外的解析方法。为气缸可靠性研究、结构改进及振动控制等方面提供一定的理论依据。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH138.51
【图文】：

图 2-2 气缸运动简化模型气缸的工作过程实际上是一个变容积的充排气过程，在假定气缸中所有零件均为刚体的前提下，两腔的容积变化状态仅受活塞运动的影响。本章中考虑的为活塞向前伸出的情况，此时无杆腔容积随着活塞的伸出而增大，气体进入腔内；有杆腔容积减小，气体排出腔外。这是一个典型的热力学开口系统，气体进入无杆腔并带进了热量，这些热量一方面使系统的焓增高，另一方面则加速气体运动，推动活塞杆继续伸出[70]。根据气缸的几何构造及工作原理，如要建立一个准确完善的气缸动力学模型，需要分别建立对应不同腔室的压力方程、流量特性方程、动力学方程、摩擦力方程及温度特性方程。气体在作为工质流通在气缸中时，往往伴随着流动状态的改变，具有不稳定性。同时还会因其高度压缩性引起工质自身压力的变化，并导致密度等性质的变化，因此在构建动力学模型之前需要对模型进行如下假设[70]：（1）气源具有稳定的流量输出，其工作压力恒定不变；

图 2-3 SIMULINK 仿真模型整体结构框图由于使用 SIMULINK 搭建模型时，需要用到的方程较多，为了仿真界面的干净美观，将全模型细分为六个部分进行考虑，最后再进行连线完成气缸动力学仿真模型的搭建工作。这里主要应用到了 SIMULINK 中的子程序封装功能，将这六个部分分别封装为六个独立的子程序，分别为：有杆腔子程序、无杆腔子程序、动力学子程序、摩擦力子程序、进气口流量子程序及排气口流量子程序。由于各个子程序既有自身特有的输入参数亦有与其他子程序共享的参数，为了方便查找及输入管理，将所有的输入参数项置于整体仿真模型的左侧，所有的输出参数项置于整体仿真模型右侧。模型中还有三点需要说明：（1）仿真结束后无杆腔压力1p 、有杆腔压力2p 、活塞速度 v 及位移 x 等参数的动态特性曲线都使用 SIMULINK 中的示波器进行图像化显示。相关数据都通过模块自带

第二章 气缸动力学建模与仿真计算导出功能导出至 MATLAB 工作区中等待后续调用与提取。（2）在 ISO 6358 中规定的声速流导C 的单位为“dm3/(s bar)”，而在模型计算使用到的声速流导的单位为“m3/(s Pa)”，两者间相差了 108倍，因此在模型建立要建立一个转换模块对声速流导的单位进行换算，保证计算不发生错误同时方便进录与保存。（3）子系统封装功能不仅能在最外层的系统框图中使用，在各个子系统中也能子系统封装功能进一步简化框图结构，维持子系统的整洁。在排气口流量子程序中用到这项功能，其框图如图 2-4 所示。图 2-4 中继续沿用输入在框图左侧，输出在右侧的设置，设置对框图进行数据输入及读取时显得更为直观。图中可以看到排气量子程序中嵌有两个子程序，这是对应于公式(2-5)中的判断条件，对比实际压力比界压力比的大小并选择对应的子程序进行计算。

【参考文献】

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本文编号：2760893