利用SolidWorks进行单作用叶片泵结构设计及其有限元分析毕业设计论文1 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 CAD技术的发展制造的全球化、信息化和需求的个性化，都需要企业能在最短的时间内推出用户满意的产品，并且能够开速占领市场。为了适应这种瞬息万变的市场，设计方必须要缩短设计周期，提高产品质量，必须要有先进的实际技术。计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。20世纪50年代美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。SolidWorks就是在此历史条件下发展成的一款基于Windows开发的三维CAD系统，SolidWorks自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率。SolidWorks作为三维设计软件具有全面的零件及装配建模功能，利用该软件还可以快速的生成工程图，SolidWorks软件还包含零件建模、装配设计、工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件Photo Works高级有限元分析软件Cosmos,结构运动学分析软件Motionworks，产品数据管理软件SmarTeam，以及数控加工软件无缝集成，具有强大的辅助设计功能。1.1.2 SolidWorks软件简介（1）三维实体建模的形成SolidWorks可以建立全相关的三维实体模型，在设计过程中，实体之间可以存在或不存在约束关系，同时，可以利用自动的或用户自定义的约束关系来体现设计意图。实体建模就是在计算机中利用一些基本元素来构造机械零件的完整几何模型，它包含了完整描述模型的边和表面所必须的所有线框和表面几何信息。除了几何信息外，它还包括了把这些几何体关联到一起的拓扑信息。将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸村委可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。特征造型就是依次性成各种特征并将其组成所需零件的方法。在进行零件或装配体，SoildWorks软件使用智能化的，易于理解的几何体（如凸台、切除、孔筋、圆角、倒角、拔模等）建立特征，特征建立后可以直接应用于零件中。用于创建的尺寸与关系可以被记录并存于设计模型中。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变，尺寸标注就不再是“注释”，而是驱动用的“参数”了，这不仅可以使模具体现设计人员的设计意图，而且还能够快速容易的修改模型。（2）虚拟装配的形成全约束是指将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。SolidWorks支持约束，如平行、垂直、水平、竖直、同轴心和重合这样的几何关系。此外，还可以使用方程式来建立参数之间的数学关系。通过使用约束关系和方程式，设计者可以保证设计过程中实现和维持诸如“通空”或“等半径”之类的设计意图。SolidWorks模型与它的工程图及参考他的装配体的全相关的。对模型的修改会自动反应到与之相关的工程图和装配体中，同样，对工程图和装配体的修改也会反映在当中。（3）SolidWorks运动学及动力学分析 在SolidWorks中进行运动学或动力学仿真，使用的是 Motion（2007及以下版本称 Cosmosmotion）模块，属于SolidWorks里面的设计验证工具， SoildWorks Motion 使用现有的SolidWorks 装配体信息来构建运动模拟算例 。还可以将载荷无缝传入Simulation已进行应力分析，可以直接显示零部件在某个时间点或整个模拟周期内的应力和位移。在分析单作用叶片泵的时候，会用到COSMOSFlo Works高端计算流体力学程序是进行流体分析和传热分析。 在单作用用叶片泵的动力分析时用到的是SolidWorks自带的COSMOSFlo Works，用来给高端计算流体力学程序中提供的强大功能来重新定义流体分析和传热分析。（4）SolidWoks的有限元分析 对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题具有某些非线性特征，很少能得到解析解。目前这类问题的的解决途径是利用有限元法。借助计算机来满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元分析发迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且使用高效的数值分析法。主要分析功能：a)系统及部件级分析以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。b)多领域的全面分析任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。c)面向设计者的多场耦合热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。d)特殊行业及领域的需求面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。e)高级分析需求面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。 SolidWorks Simulation 节省了搜索最佳设计所需要的时间和精力，可以最大限度的缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，大大缩短了产品上市时间，加大利润空间。1.1.3 单作用叶片泵简介（1）单作用叶片泵工作原理及特点单作用叶片泵也是由转子、定子、 叶片和配油盘等零件组成。与双作用叶片泵明显不同之处是，定子的内表面是圆形的， 转子与定子之间有一偏心量e，配油盘只开一个吸油窗口和一个压油窗口。单作用叶片泵的转子回转时，由于离心力的作用，使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作区间，当转子按图示的方向回转时，叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，从吸油口吸油，这就是吸油腔。叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作空间逐渐减小，将油液从压油口压出，这就是压油腔。叶片泵转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，称单作用叶片泵。(2) 单作用叶片泵的特点优点：结构工艺简单，可以实现各种形式的变量，流量大、压力大、压力稳定、噪音小。 缺点：作用在转子上的液压力不平衡，从而使轴和轴承上承受很大的负载，是轴承磨损大，泵的寿命较短。所以单作用叶片泵也称之为非卸荷式叶片泵，一般在中低压场合使用。(3) 未来对于单作用叶片的优化 a ) 存在困油现象，通过有限元分析软件对配有盘结构优化，消除困油现象。 b) 通过对叶片槽倾角的有限元分析，保证叶片更容易从叶片槽滑出，提高泵的效率。 c) 转子的径向液压力不平衡，通过对定子转子的有限元分析，减小径向不平衡力提高泵的工作压力和排量。 d) 单作用叶片泵的高压化。 e) 轴向间隙大，容积效率低。 f) 液压泵与原动机合一。 g) 液压油纯度对单作用叶片泵性能的影响较大。 1.2 课题研究的目的与意义油泵作为机电产品中的关键部件，它的性能和寿命在很大程度上决定着整个液压系统的工作能力，因此对油泵的合理设计和正确使用显得格外重要。其结构设计的目的就要使其具有承受更高热负荷和机械负荷的能力，以达到所需的可靠性要求，从而提高机电产品的效率。在SolidWorks的标准菜单中包含了各种用于创建零件特征和基准特征的命令，通过应用这些特征造型技术可以很方便地设计出需要的三维实体,然后对实体特征进行运动学和动力学的分析，达到改善单作用叶片泵性能的目的。机构的运动分析，就是根据给定的原动件的运动规律，求出机构中其他构件的运动规律，根据各构件的位置、速度、加速度等运动参数。其目的在于：通过对机构的位移或轨迹分析，确定各构件在运动过程中所占据的空间大小，判断各构件之间会不会发生干涉，考察其从动件及其上某些点能否实现预定的位置或轨迹要求。基于构件的速度分析可以了解从动件的速度变化规律是否满足工作要求，其次，由于功率是速度和力的乘积，所以在功率一直的条件下，通过速度分析可以了解结构的受力情况。此外，机构的速度分析还是加速度分析的必要前提。由于机构加速度分析，可以确定各构件及其上某些点的加速度变化规律，这是计算构件惯性力和研究机械动力性能的必要前提。在机构运动过程中，其各个构件都受到力的作用，构建运动的过程也是构件传力过程和做功过程。作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状的重要依据，所以不论是设计新的机械，还是为了合理的使用现有的机械，都必须对现有的机构的受力情况进行分析。研究机构动力分析的目的有二：确定运动副中的反力， 利用SolidWorks设计流程图。SolidWorks Simulation 是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热力分析和优化分析、凭借着强大的功能支持，使用户可以凭借计算机快速解决大型问题。1.3 课题研究的内容 本文利用机械设计中的理论原理和设计思路，包括材料的选取，尺寸的确定，尺寸的校核，零件的润滑，同时也结合了SolidWorks三维建模技术和有限元分析技术的基本理论和方法, 利用SolidWorks三维建模软件和自带的SolidWorks Simulation有限元分析软件，进行单作用叶片泵的整个设计和分析过程。SolidWorks作为专用的机械设计软件，在本文的单作用叶片泵的设计和分析过程中，起到了极其重要的作用本课题主要研究的内容是通过了解单作用叶片泵的工作原理及结构特点，选取适当的单作用叶片泵的工况及相关参数，在相应的工况下设计出单作用叶片泵的结构及基本尺寸和关键尺寸，以及相关零件的校核；根据确定的尺寸利用SolidWorks进行单作用叶片泵零件的三维实体建模零件的虚拟装配以及对装配体进行运动学和动力学分析；最后用SolidWorks进行有限元的分析。 2 单作用叶片泵结构的设计及尺寸参数的初定2.1 单作用叶片泵结构的设计2.1.1 单作用叶片泵的计算中用到的主要技术参数（1） 泵的排量（mL/r）。泵旋转一周所能排出的液体体积。（2） 泵的理论流量（L/min）。在额定转速时，用计算方法得到单位时间内泵能排出的最大流量。（3） 泵的额定压力（L/min）。在正常工作条件下，能保证泵长时间运转所能输出的最大流量。（