钢管水压机步进机构结构特性分析及优化设计

摘要

能源工业的快速发展，带动了管道运输业和钢管工业的繁荣。与此同时，钢管产品的质量和使用的安全可靠性日益成为人们关注的焦点。而钢管水压机正是基于此背景开发的一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机组。因此，其性能的高低直接影响着钢管实验的准确性。而步进机构作为钢管水压机中唯一与钢管长时间接触，并通过四机构联动，对钢管实行下架、对中卡紧、上架以及移动等动作的单机，其结构强度的高低，刚度的大小，结构设计是否合理，都严重影响着钢管水压机的工作性能。
　　 为了解决钢管水压机步进机构在强度、刚度和结构设计方面存在的问题，本文在以往研究的基础上，以断裂理论、弹塑性理论和优化设计理论为研究基础，以三维建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS为研究平台，从设计的角度对钢管水压机步进机构分别进行了焊接结构缺陷失效评定分析和稳定性分析，并在保证机构强度和刚度的前提下，对步进机构主要承重件--架体进行了拓扑优化设计。具体工作和结论如下：
　　 1、通过对钢管水压机步进机构焊接结构进行缺陷失效评定分析，找到了一种简单实用且合理有效地评定焊接结构缺陷失效的方法。通过引入工程实例并结合试验，结果可知误差在设计允许范围内。此种方法对工程质检人员具有一定的实际参考价值。
　　 2、通过对钢管水压机步进机构架体进行非线性屈曲分析，得到了架体在钢管下架、架体支撑、钢管对中卡紧和钢管上架四种工况下的失稳载荷。综合比较四种工况下的失稳载荷可知，架体在各工况下均不发生失稳时，所受载荷应小于0.542e8N，满足此条件即可保证机构刚度要求。
　　 3、通过对钢管水压机步进机构架体进行优化前非线性静力分析，得到了机构架体在外部载荷作用下的最大应力值和最大变形值。可知，优化前应力和变形远远超过设计要求。
　　 4、通过对钢管水压机步进机构架体进行降重30％的拓扑优化设计，得出多余重量主要集中在架体两侧板、架体U形支撑板和U形挡板上。
　　 5、通过对钢管水压机步进机构架体进行优化后非线性静力分析，得到了机构架体在外部载荷作用下的最大应力值和最大变形值。可知，优化后应力和变形依旧满足设计要求。