發(fā)布時(shí)間：2020-07-18 12:32

【摘要】：氣缸作為氣動(dòng)系統(tǒng)最重要的執(zhí)行元件,被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展及對(duì)氣缸輕量化、高可靠性的要求不斷提高,氣缸柔性體動(dòng)力學(xué)研究的重要性也在不斷增大。通過(guò)氣缸柔性體動(dòng)力學(xué)建模求解,不僅能得到氣缸的應(yīng)力分布情況、氣缸徑向運(yùn)動(dòng)特性等各種動(dòng)態(tài)參數(shù),還能為氣缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)、失效分析及可靠性研究提供指導(dǎo)作用。基于此,本文結(jié)合理論分析、仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試等方法,對(duì)氣缸柔性體動(dòng)力學(xué)、氣缸應(yīng)力情況及其徑向振動(dòng)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。介紹了單桿雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)原理,根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)原理及牛頓第二定理等基本理論建立氣缸剛體動(dòng)力學(xué)理論模型,采用MATLAB/SIMULINK模塊對(duì)其進(jìn)行了仿真,對(duì)氣缸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析�；�于ANSYS/LS-DYNA軟件建立相應(yīng)的柔性體動(dòng)力學(xué)有限元模型,模擬氣缸承受懸臂負(fù)載作用時(shí)的運(yùn)動(dòng),分析氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性及應(yīng)力分布情況。確定不同零件最大應(yīng)力發(fā)生的時(shí)刻及位置,并根據(jù)各個(gè)零件最大應(yīng)力發(fā)生位置的時(shí)變應(yīng)力特性分析氣缸的失效機(jī)理,為氣缸可靠性分析提供依據(jù)。著眼于氣缸各零件上交變應(yīng)力特性,對(duì)柔性體氣缸的活塞桿彎曲振動(dòng)進(jìn)行了研究。以歐拉梁模型取代一維彈性桿模型進(jìn)行討論,將氣缸中的活塞桿抽象為時(shí)變長(zhǎng)度懸臂梁,建立了對(duì)應(yīng)解析模型,并基于多尺度法對(duì)模型進(jìn)行求解。同時(shí)建立勻速伸出邊界條件下的有限元模型,將有限元結(jié)果與解析解結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。搭建了氣缸試驗(yàn)平臺(tái),并利用LABVIEW采集相應(yīng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力學(xué)理論結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了各模型的正確性。本文通過(guò)對(duì)單桿雙作用氣缸柔性體動(dòng)力學(xué)及活塞桿徑向彎曲振動(dòng)模型的研究,為同類(lèi)氣缸應(yīng)力分析及徑向振動(dòng)模型的建立提供了除有限元仿真外的解析方法。為氣缸可靠性研究、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及振動(dòng)控制等方面提供一定的理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH138.51
【圖文】：

圖 2-2 氣缸運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型氣缸的工作過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)變?nèi)莘e的充排氣過(guò)程，在假定氣缸中所有零件均為剛體的前提下，兩腔的容積變化狀態(tài)僅受活塞運(yùn)動(dòng)的影響。本章中考慮的為活塞向前伸出的情況，此時(shí)無(wú)桿腔容積隨著活塞的伸出而增大，氣體進(jìn)入腔內(nèi)；有桿腔容積減小，氣體排出腔外。這是一個(gè)典型的熱力學(xué)開(kāi)口系統(tǒng)，氣體進(jìn)入無(wú)桿腔并帶進(jìn)了熱量，這些熱量一方面使系統(tǒng)的焓增高，另一方面則加速氣體運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活塞桿繼續(xù)伸出[70]。根據(jù)氣缸的幾何構(gòu)造及工作原理，如要建立一個(gè)準(zhǔn)確完善的氣缸動(dòng)力學(xué)模型，需要分別建立對(duì)應(yīng)不同腔室的壓力方程、流量特性方程、動(dòng)力學(xué)方程、摩擦力方程及溫度特性方程。氣體在作為工質(zhì)流通在氣缸中時(shí)，往往伴隨著流動(dòng)狀態(tài)的改變，具有不穩(wěn)定性。同時(shí)還會(huì)因其高度壓縮性引起工質(zhì)自身壓力的變化，并導(dǎo)致密度等性質(zhì)的變化，因此在構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型之前需要對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)[70]：（1）氣源具有穩(wěn)定的流量輸出，其工作壓力恒定不變；

圖 2-3 SIMULINK 仿真模型整體結(jié)構(gòu)框圖由于使用 SIMULINK 搭建模型時(shí)，需要用到的方程較多，為了仿真界面的干凈美觀，將全模型細(xì)分為六個(gè)部分進(jìn)行考慮，最后再進(jìn)行連線完成氣缸動(dòng)力學(xué)仿真模型的搭建工作。這里主要應(yīng)用到了 SIMULINK 中的子程序封裝功能，將這六個(gè)部分分別封裝為六個(gè)獨(dú)立的子程序，分別為：有桿腔子程序、無(wú)桿腔子程序、動(dòng)力學(xué)子程序、摩擦力子程序、進(jìn)氣口流量子程序及排氣口流量子程序。由于各個(gè)子程序既有自身特有的輸入?yún)��?shù)亦有與其他子程序共享的參數(shù)，為了方便查找及輸入管理，將所有的輸入?yún)��?shù)項(xiàng)置于整體仿真模型的左側(cè)，所有的輸出參數(shù)項(xiàng)置于整體仿真模型右側(cè)。模型中還有三點(diǎn)需要說(shuō)明：（1）仿真結(jié)束后無(wú)桿腔壓力1p 、有桿腔壓力2p 、活塞速度 v 及位移 x 等參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性曲線都使用 SIMULINK 中的示波器進(jìn)行圖像化顯示。相關(guān)數(shù)據(jù)都通過(guò)模塊自帶

第二章 氣缸動(dòng)力學(xué)建模與仿真計(jì)算導(dǎo)出功能導(dǎo)出至 MATLAB 工作區(qū)中等待后續(xù)調(diào)用與提取。（2）在 ISO 6358 中規(guī)定的聲速流導(dǎo)C 的單位為“dm3/(s bar)”，而在模型計(jì)算使用到的聲速流導(dǎo)的單位為“m3/(s Pa)”，兩者間相差了 108倍，因此在模型建立要建立一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)聲速流導(dǎo)的單位進(jìn)行換算，保證計(jì)算不發(fā)生錯(cuò)誤同時(shí)方便進(jìn)錄與保存。（3）子系統(tǒng)封裝功能不僅能在最外層的系統(tǒng)框圖中使用，在各個(gè)子系統(tǒng)中也能子系統(tǒng)封裝功能進(jìn)一步簡(jiǎn)化框圖結(jié)構(gòu)，維持子系統(tǒng)的整潔。在排氣口流量子程序中用到這項(xiàng)功能，其框圖如圖 2-4 所示。圖 2-4 中繼續(xù)沿用輸入在框圖左側(cè)，輸出在右側(cè)的設(shè)置，設(shè)置對(duì)框圖進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入及讀取時(shí)顯得更為直觀。圖中可以看到排氣量子程序中嵌有兩個(gè)子程序，這是對(duì)應(yīng)于公式(2-5)中的判斷條件，對(duì)比實(shí)際壓力比界壓力比的大小并選擇對(duì)應(yīng)的子程序進(jìn)行計(jì)算。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2760893