变容式非金属压力油箱柔性壳体优化设计方法

doi:10.3901/JME.2025.10.439

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (10): 439-449.doi: 10.3901/JME.2025.10.439

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变容式非金属压力油箱柔性壳体优化设计方法

姚静^1,2, 王定煜¹, 何蔼雯¹, 郝金鹿¹, 汪飞雪^1,3

1. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004;
2. 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛 066004;
3. 燕山大学河北省轻质结构装备设计与制备工艺技术创新中心秦皇岛 066004

收稿日期:2024-06-03 修回日期:2024-12-17 发布日期:2025-07-12
作者简介:姚静，女，1978年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为重型机械流体与控制系统和新型液压元件。E-mail：jyao@ysu.edu.cn;王定煜(通信作者)，男，1998年出生，博士研究生。主要研究方向为流体传动与控制。E-mail：dingyu_wang@stumail.ysu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2018YFB2000703)和中央引导地方科技发展资金(226Z1901G)资助项目。

Method of Optimization Design of Flexible Shell for Non-metal Pressurized Reservoir with Variable Volume

YAO Jing^1,2, WANG Dingyu¹, HE Aiwen¹, HAO Jinlu¹, WANG Feixue^1,3

1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Hebei Province Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
3. Hebei Innovation Center for Equipment Lightweight Design and Manufacturing, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2024-06-03 Revised:2024-12-17 Published:2025-07-12

摘要/Abstract

摘要： 变容式液压油箱因其油液带压、体积小、质量轻而受到广泛关注。变容式液压油箱通过自身柔性壳体形状改变以补偿系统油液容积差，而壳体的合理设计对油箱整体寿命和油箱稳定压力输出至关重要。为实现油箱壳体满足强度与轻量化的高效设计，提出一种变容式非金属压力油箱柔性壳体优化设计方法。首先，根据油箱壳体的基础构型结构关系确定油箱结构容积数学模型，并通过对油箱壳体分析，建立油箱壳体环向应力、轴向应力和壳体质量的性能指标参数模型。然后，确定待优化变量参数及其范围，并以环向应力、轴向应力和壳体质量三者最小作为优化目标函数。在加工尺寸和油箱容积等约束下，基于多目标遗传算法对油箱结构进行优化，得到Pareto最优解集。最后，基于质量功能展开方法定义油箱壳体的参数关系矩阵，构建油箱壳体设计的综合评价函数确定最佳的解，并利用有限元仿真进行应力计算，验证了该方法的可行性。该设计方法为液压油箱轻量化设计与优化提供理论指导。

关键词: 液压油箱, 非金属油箱, 变容, 柔性壳体, 优化设计

Abstract: Hydraulic reservoir with variable volume is widely concerned because of its pressurized oil, small volume and light weight. The reservoir compensates the oil volume difference of the system by changing the shape of its flexible shell, and the reasonable design of the shell is crucial to the overall life and the stable pressure output of the reservoir. In order to realize the efficient design of the reservoir shell satisfying the strength and lightweight, an optimized design method of the flexible shell of the non-metal pressurized reservoir with variable volume is proposed. Firstly, the structural volume mathematical model of the reservoir is determined according to the basic configuration structure relationship of the reservoir shell, and through the analysis of the reservoir shell, the performance index parameter models of the annular stress, axial stress and shell mass of the reservoir shell are established. Then, the parameters of the variable to be optimized and its range are determined, and the minimum of the annular stress, axial stress and shell mass are taken as the optimization objective function. Under the constraints of machining size and reservoir volume, the reservoir structure is optimized based on multi-objective genetic algorithm, and the Pareto optimal solution set is obtained. Finally, the parameter relation matrix of the reservoir shell is defined based on the quality function deployment method, and the comprehensive evaluation function of the reservoir shell design is constructed to determine the best solution, and the finite element simulation is used to calculate the stress, which verifies the feasibility of the method. This design method provides theoretical guidance for the lightweight design and optimization of hydraulic reservoir.

Key words: hydraulic reservoir, non-metallic reservoir, variable volume, flexible shell, optimal design

中图分类号:

TH137

姚静, 王定煜, 何蔼雯, 郝金鹿, 汪飞雪. 变容式非金属压力油箱柔性壳体优化设计方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(10): 439-449.

YAO Jing, WANG Dingyu, HE Aiwen, HAO Jinlu, WANG Feixue. Method of Optimization Design of Flexible Shell for Non-metal Pressurized Reservoir with Variable Volume[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(10): 439-449.

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Method of Optimization Design of Flexible Shell for Non-metal Pressurized Reservoir with Variable Volume

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