蔣理劍,張文輝

（麗水學(xué)院工學(xué)院,浙江麗水323000）

液壓缸系統(tǒng)基于ANSYS的有限元應(yīng)力分析

蔣理劍,張文輝

（麗水學(xué)院工學(xué)院,浙江麗水323000）

液壓缸在能源機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域有著重要用途,然而當(dāng)前針對(duì)液壓缸系統(tǒng)可供參考的有限元分析方法還較少.提出了基于ANSYS的有限元系統(tǒng)分析方法.首先建立液壓缸系統(tǒng)的有限元模型,進(jìn)而通過(guò)設(shè)定邊界條件及載荷分布對(duì)液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行了力位移計(jì)算、全局應(yīng)力分布及局部應(yīng)力應(yīng)變分布計(jì)算.計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)楫a(chǎn)品研發(fā)與分析提供重要參考,對(duì)于改進(jìn)液壓缸系統(tǒng)的性能與壽命具有重要意義.

液壓缸；有限元；靜力分析；應(yīng)變分析

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓元件.它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠.用它來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),可免去減速裝置并且沒有傳動(dòng)間隙,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),因此在能源、機(jī)械等各種工業(yè)領(lǐng)域的有著重要用途,然而液壓缸的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性特性等因素將直接影響到液壓缸的使用壽命和工作性能,因此對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要意義[1-2].目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者液壓缸也進(jìn)行了比較深入的研究,取得了具有一定指導(dǎo)意義和工程價(jià)值的成果.文獻(xiàn)[3]針對(duì)液壓支架結(jié)合力學(xué)原理進(jìn)行了分析計(jì)算,利用ANSYS對(duì)應(yīng)力和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[4]針對(duì)車用液壓缸進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和壓桿穩(wěn)定性分析,獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性條件.文獻(xiàn)[5]針對(duì)液壓缸承受徑向載荷力,對(duì)其進(jìn)行非線性分析,獲得了最大載荷計(jì)算辦法.文獻(xiàn)[6]針對(duì)翻卷機(jī)液壓缸各部件承受軸向力進(jìn)行靜力分析,分析了剛度等指標(biāo).

上述分析方法具有一定借鑒意義,然而考慮到針對(duì)液壓缸的有限元分析方面的研究結(jié)果還較少,本文提出了基于ANSYS的有限元系統(tǒng)分析方法.首先建立液壓缸系統(tǒng)的有限元模型,進(jìn)而通過(guò)設(shè)定邊界條件及載荷分布對(duì)液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行了力位移計(jì)算、全局應(yīng)力分布及局部應(yīng)力應(yīng)變分布計(jì)算.計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)楫a(chǎn)品研發(fā)與分析提供重要參考,對(duì)于改進(jìn)液壓缸系統(tǒng)的性能與壽命具有重要意義.

1 基于ANSYS的應(yīng)力分析

圖1 液壓缸有限元模型Fig.1 Finite element model of hydraulic cylinder

圖2 液壓缸的網(wǎng)格劃分Fig.2 The mesh model of hydraulic cylinder

圖3 液壓缸的約束和載荷Fig.3 The constraint and load of hydraulic cylinder

圖4 液壓缸位移云圖Fig.4 The displacement nephogram of hydraulic cylinder

1.1 液壓缸有限元模型建立

HSG型工程液壓缸主要用于各種工程機(jī)械、起重機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械及工程車輛的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中,具有典型意義.本文以HSG型工程液壓缸為例,進(jìn)行有限元方法的詳細(xì)分析.定義內(nèi)徑63 mm,外徑83 mm,活塞桿直徑32 mm,行程500 mm,最小安裝距795 mm,工作壓力16 MPa,試驗(yàn)壓力20 MPa.為減少有限元分析計(jì)算量,同時(shí)保證計(jì)算精度,考慮到液壓缸的結(jié)構(gòu)和載荷具有中間對(duì)稱性,這里沿對(duì)稱面建立了右半部有限元模型.利用三維建模軟件Solidworks建立系統(tǒng)模型并導(dǎo)入ANSYS中,如圖1所示.

1.2 液壓缸系統(tǒng)載荷施加

在力的作用下計(jì)算液壓缸的力位移、全局應(yīng)力分布及局部應(yīng)力分布對(duì)于分析系統(tǒng)受力情況具有重要意義.具體分析步驟如下.

1.2.1 定義材料屬性和網(wǎng)格劃分HSG型工程液壓缸材料為45號(hào)鋼,其彈性模量為220 GPa,泊松比為0.3.采用Solid95號(hào)高階三維實(shí)體單元,其中Solid95單元是20節(jié)點(diǎn)六面體單元,仿真精度高.采用自由網(wǎng)格（free）劃分,得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)24 602,單元數(shù)12 798.其網(wǎng)格模型如圖2所示.

1.2.2 添加接觸單元為了方便建立接觸對(duì),本文利用接觸向?qū)?duì)話框?qū)钊麠U與導(dǎo)向套之間和活塞與缸筒之間建立接觸對(duì)來(lái)模擬活塞桿與缸筒之間的運(yùn)動(dòng)情況.設(shè)定接觸剛度比例因子為1.

1.2.3 施加約束和載荷在模型上施加接近實(shí)際載荷,是獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖的關(guān)鍵.在HSG工程用型液壓缸中,所要得到的主要有液壓缸的應(yīng)力分布及位移變化.所以要將外載荷轉(zhuǎn)為內(nèi)載荷,將工作液的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)為缸體內(nèi)部載荷的方式.根據(jù)液壓缸的實(shí)際工作壓力為16 MPa,根據(jù)國(guó)家規(guī)定的試驗(yàn)加載方式,對(duì)液壓缸進(jìn)行1.25倍載荷的施加,即對(duì)液壓缸施加20 MPa的力,分別對(duì)缸體內(nèi)表面、下表面及活塞底端施加載荷,其中S處為施加部位.其約束和載荷的加載情況如圖3所示.

1.3 液壓缸系統(tǒng)應(yīng)力分析

基于ANSYS的有限元求解器計(jì)算液壓缸系統(tǒng)的位移云圖,全局應(yīng)力云圖及局部應(yīng)力云圖.

1.3.1 液壓缸位移計(jì)算云圖圖4所示為液壓缸位移云圖.

由圖4可知,活塞桿頭部變形量最大,最大值位于Max處,最小值位于Min處.從其中液壓缸的最大變形為0.224 mm,位于活塞處.

1.3.2 液壓缸應(yīng)力計(jì)算云圖圖5為液壓缸應(yīng)力云圖.

圖5 液壓缸應(yīng)力云圖Fig.5 The stress nephogram of hydraulic cylinder

由圖5可知,最大應(yīng)力為175MPa,位于耳環(huán)與活塞桿的連接處.圖6為活塞桿與耳環(huán)連接處的應(yīng)力分布.

圖6 活塞桿與耳環(huán)連接處的應(yīng)力分布Fig.6 The stress distribution in the piston of rod connection with earrings

由圖6可知,最大應(yīng)力位于耳環(huán)與活塞桿的連接處,其應(yīng)力值為175 MPa.其中45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為360 MPa,抗拉強(qiáng)度為610 MPa,則液壓缸的安全系數(shù),45號(hào)鋼的安全系數(shù)為1.2～1.5,所以液壓缸的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求.

2 結(jié)論

本文基于ANSYS對(duì)液壓缸進(jìn)行了較為系統(tǒng)有限元分析,建立了液壓缸系統(tǒng)的有限元模型,并設(shè)計(jì)了邊界條件及載荷施加原則；獲得了液壓缸系統(tǒng)的位移云圖,其變形量及變形位置為產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)；獲得了液壓缸系統(tǒng)的應(yīng)力云圖,其最大應(yīng)力數(shù)據(jù)為強(qiáng)度計(jì)算提供了依據(jù).所提的基于ANSYS的有限元方法對(duì)于液壓缸系統(tǒng)的研發(fā)與分析具有重要工程價(jià)值.

[1]劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京：科學(xué)出版社,2006.

[2]嚴(yán)海綱,黃泊戩,梅雪峰.采煤機(jī)搖臂殼體有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2011,3（10）：45-50.

[3]Wang H F,Jia K K,Guo Z P.Random vibration analysis for the chassis frame of hydraulic truck based on ANSYS[J].Journal of Chemical&Pharmaceutical Research,2014,6（3）：53-55.

[4]陳敏；徐延金；涂能安.PDC鉆頭單齒工作角度有限元仿真研究[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào),2009（6）：32-35.

[5]楊宏亮,彭巖.液壓缸承受徑向載荷的非線性有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,3（6）：23-26.

[6]羅海萍,潘佐云,唐清春.基于ANSYS的翻卷機(jī)液壓缸的有限元分析[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2011,9（9）：45-49.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Hydraulic cylinder system modal stress force analysis based on ANSYS

Jiang Lijian,Zhang Wenhui
（Institute of Technology,Lishui University,Lishui 323000,China）

Hydraulic cylinder has important use in industrial sectors such as energy machinery,however the current system analysis methods still are lack,the system finite element analysis methods based on ANSYS was put forward in this paper.Firstly finite element model of the hydraulic cylinder system was established,and then through boundary conditions are set and load distribution on the hydraulic cylinder system has carried on the force displacement calculation,the stress distribution of global and local stress distribution were calculated to provide an important reference for product development and analysis,The proposed finite element analysis methods based on the ANSYS have important engineering values for the hydraulic cylinder system research.

hydraulic cylinder；finite element；static force analysis；stress analysis

TH11

A

1008-7516（2014）04-0067-03

10.3969/j.issn.1008-7516.2014.04.016

2014-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61171189）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAC16B02）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY14F030005）；浙江省公益技術(shù)項(xiàng)目（2013C3110）；浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201330000）

蔣理劍（1977-）,男,浙江麗水人,碩士,助理講師.主要從事液壓傳動(dòng)與有限元分析研究.