【摘要】：氣缸作為氣動系統(tǒng)最重要的執(zhí)行元件,被廣泛應用于各種自動化生產(chǎn)線上。隨著CAE技術的不斷發(fā)展及對氣缸輕量化、高可靠性的要求不斷提高,氣缸柔性體動力學研究的重要性也在不斷增大。通過氣缸柔性體動力學建模求解,不僅能得到氣缸的應力分布情況、氣缸徑向運動特性等各種動態(tài)參數(shù),還能為氣缸的優(yōu)化設計、失效分析及可靠性研究提供指導作用�；诖�,本文結合理論分析、仿真模擬和試驗測試等方法,對氣缸柔性體動力學、氣缸應力情況及其徑向振動進行較為系統(tǒng)的研究。介紹了單桿雙作用氣缸的結構原理,根據(jù)氣體動力學、熱力學原理及牛頓第二定理等基本理論建立氣缸剛體動力學理論模型,采用MATLAB/SIMULINK模塊對其進行了仿真,對氣缸的動態(tài)特性進行分析�；贏NSYS/LS-DYNA軟件建立相應的柔性體動力學有限元模型,模擬氣缸承受懸臂負載作用時的運動,分析氣缸工作時的動態(tài)特性及應力分布情況。確定不同零件最大應力發(fā)生的時刻及位置,并根據(jù)各個零件最大應力發(fā)生位置的時變應力特性分析氣缸的失效機理,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力特性,對柔性體氣缸的活塞桿彎曲振動進行了研究。以歐拉梁模型取代一維彈性桿模型進行討論,將氣缸中的活塞桿抽象為時變長度懸臂梁,建立了對應解析模型,并基于多尺度法對模型進行求解。同時建立勻速伸出邊界條件下的有限元模型,將有限元結果與解析解結果進行了比較,驗證了數(shù)學模型的正確性。搭建了氣缸試驗平臺,并利用LABVIEW采集相應的動態(tài)信號。試驗結果與動力學理論結果進行了對比,驗證了各模型的正確性。本文通過對單桿雙作用氣缸柔性體動力學及活塞桿徑向彎曲振動模型的研究,為同類氣缸應力分析及徑向振動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、結構改進及振動控制等方面提供一定的理論依據(jù)。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH138.51
【圖文】：

圖 2-2 氣缸運動簡化模型氣缸的工作過程實際上是一個變容積的充排氣過程，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)僅受活塞運動的影響。本章中考慮的為活塞向前伸出的情況，此時無桿腔容積隨著活塞的伸出而增大，氣體進入腔內；有桿腔容積減小，氣體排出腔外。這是一個典型的熱力學開口系統(tǒng)，氣體進入無桿腔并帶進了熱量，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動，推動活塞桿繼續(xù)伸出[70]。根據(jù)氣缸的幾何構造及工作原理，如要建立一個準確完善的氣缸動力學模型，需要分別建立對應不同腔室的壓力方程、流量特性方程、動力學方程、摩擦力方程及溫度特性方程。氣體在作為工質流通在氣缸中時，往往伴隨著流動狀態(tài)的改變，具有不穩(wěn)定性。同時還會因其高度壓縮性引起工質自身壓力的變化，并導致密度等性質的變化，因此在構建動力學模型之前需要對模型進行如下假設[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 仿真模型整體結構框圖由于使用 SIMULINK 搭建模型時，需要用到的方程較多，為了仿真界面的干凈美觀，將全模型細分為六個部分進行考慮，最后再進行連線完成氣缸動力學仿真模型的搭建工作。這里主要應用到了 SIMULINK 中的子程序封裝功能，將這六個部分分別封裝為六個獨立的子程序，分別為：有桿腔子程序、無桿腔子程序、動力學子程序、摩擦力子程序、進氣口流量子程序及排氣口流量子程序。由于各個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)項置于整體仿真模型的左側，所有的輸出參數(shù)項置于整體仿真模型右側。模型中還有三點需要說明：（1）仿真結束后無桿腔壓力1p 、有桿腔壓力2p 、活塞速度 v 及位移 x 等參數(shù)的動態(tài)特性曲線都使用 SIMULINK 中的示波器進行圖像化顯示。相關數(shù)據(jù)都通過模塊自帶

第二章 氣缸動力學建模與仿真計算導出功能導出至 MATLAB 工作區(qū)中等待后續(xù)調用與提取。（2）在 ISO 6358 中規(guī)定的聲速流導C 的單位為“dm3/(s bar)”，而在模型計算使用到的聲速流導的單位為“m3/(s Pa)”，兩者間相差了 108倍，因此在模型建立要建立一個轉換模塊對聲速流導的單位進行換算，保證計算不發(fā)生錯誤同時方便進錄與保存。（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，在各個子系統(tǒng)中也能子系統(tǒng)封裝功能進一步簡化框圖結構，維持子系統(tǒng)的整潔。在排氣口流量子程序中用到這項功能，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，輸出在右側的設置，設置對框圖進行數(shù)據(jù)輸入及讀取時顯得更為直觀。圖中可以看到排氣量子程序中嵌有兩個子程序，這是對應于公式(2-5)中的判斷條件，對比實際壓力比界壓力比的大小并選擇對應的子程序進行計算。

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本文編號：2760893