HSG型工程液壓缸基于ANSYS的有限元分析

1、HSG型工程液壓缸基于ANSYS的有限元分析張士營(yíng)1 張文輝1,2（1.麗水學(xué)院 工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）摘要：HSG型液壓缸在工程機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛用途，當(dāng)前還缺乏系統(tǒng)的有限元分析方法。首先針對(duì)HSG型液壓缸系統(tǒng)分別從力位移、全局應(yīng)力及局部應(yīng)力進(jìn)行了靜力計(jì)算；進(jìn)而對(duì)液壓缸的主要軸向載荷承受部件活塞桿進(jìn)行了縱向彎曲強(qiáng)度的校核，分析構(gòu)件穩(wěn)定性；最后對(duì)液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算能夠有效避免共振危害的發(fā)生。所提方法與分析結(jié)果對(duì)于HSG型液壓缸研發(fā)具有重要借鑒價(jià)值。關(guān)鍵字：有限元；液壓缸；靜力分析；屈曲分析；模

2、態(tài)分析中圖分類(lèi)號(hào)：TH11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AFinite Element Analysisfor HSG Hydraulic Cylinder System based on ANSYSZhangShiying1 Zhang Wenhui1,2 of Technology, Lishui University, Lishui 323000；2.School of Aerospace ,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;Abstract：HSG type hydraulic cylinder has widely used in engine

3、ering machinery and other fields, the system finite element analysis method is still lack in current. First system the global static calculation are done respectively for the force displacement, stress and local stress on HSG type hydraulic cylinder; And then strength check is done for the main axia

4、l load components under the piston rod of the buckling, stability analysis of components is done; The modal analysis is carried out on the hydraulic cylinder system, through calculating natural frequency of the system can effectively prevent the occurrence of resonance hazard. The proposed method an

5、d the analysis results have important reference value for research and development of HSG type hydraulic cylinder.Key words：Finite element; Hydraulic cylinder;Static analysis; Buckling analysis; Modal analysis1引言液壓缸是一種將液壓能轉(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，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的特性，能夠在實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)需減速裝置，沒(méi)有傳動(dòng)間隙，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，在能

6、源、機(jī)械等各工業(yè)領(lǐng)域及日常設(shè)備中有著廣泛用途，由于液壓缸的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性及振動(dòng)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。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(chē)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)。文獻(xiàn)7針對(duì)液壓缸活塞桿與缸體由于受軸力和橫向力的共同作用而產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致液壓缸整體失穩(wěn)的問(wèn)題，建立撓曲性微分方程，獲得了

7、液壓缸臨界載荷分析方法。考慮到當(dāng)前液壓缸的強(qiáng)度校核、應(yīng)力及穩(wěn)定性分析、共振問(wèn)題等還缺少系統(tǒng)的分析方法，以廣泛應(yīng)用的HSG型工程液壓缸為例，對(duì)系統(tǒng)的靜力、屈曲及模態(tài)進(jìn)行了分析，從而形成系統(tǒng)完整的液壓缸靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析方法，該方法對(duì)液壓缸的研發(fā)及其它類(lèi)似結(jié)構(gòu)具有重要工程指導(dǎo)意義。2HSG液壓缸系統(tǒng)基于ANSYS的有限元分析基于ANSYS的靜力分析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(chē)輛的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，具有典型意義。首先定義參數(shù)為：內(nèi)徑為63mm，外徑為83mm，活塞桿直徑為32mm，行程為500mm，最小安裝距為795mm，工作壓力為16MPa ，試驗(yàn)壓力為20MPa?？?/p>

8、慮到專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件Solidworks與ANSYS具有無(wú)縫連接，利用Solidworks首先建立工程液壓缸的模型，進(jìn)而導(dǎo)入ANSYS中，其結(jié)果如圖1所示。圖1 液壓缸有限元模型1) 定義材料屬性和網(wǎng)格劃分工程上HSG型工程液壓缸。同時(shí)考慮到液壓缸的結(jié)構(gòu)近似為階梯軸，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，因此利用Solid95實(shí)體結(jié)構(gòu)單元可以很好模擬液壓缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用自由網(wǎng)格(free)劃分,得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)24602 ，單元數(shù) 12798。其網(wǎng)格模型如圖2所示。圖2液壓缸網(wǎng)格劃分效果圖2) 添加接觸單元因活塞與缸筒之間，活塞桿與導(dǎo)向套之

9、間是相對(duì)滑動(dòng)的，因此需要建立接觸對(duì)，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)能夠?qū)崿F(xiàn)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1.0。3) 施加約束和載荷對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析時(shí)，為使數(shù)值解存在且唯一，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的剛體位移進(jìn)行消除，使總體剛度矩陣保持非奇異性?？紤]到HSG工程用型液壓缸在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用情況，針對(duì)扭轉(zhuǎn)情況，則設(shè)定3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度rotx、roty、rotz。對(duì)兩端的耳環(huán)處，設(shè)定1個(gè)繞軸的旋轉(zhuǎn)的自由度來(lái)模擬鉸接約束。同時(shí)設(shè)定對(duì)稱約束。由于液壓缸的實(shí)際工作壓力為16MPa，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

10、加20MPa的力，分別對(duì)缸體內(nèi)表面、下表面及活塞底端施加載荷。其約束和載荷的加載情況如圖3所示。圖3 液壓缸的約束和載荷ANSYS后處理部分是將結(jié)果可視化，可幫助用戶有效、快捷地分析計(jì)算結(jié)果。啟動(dòng)ANSYS求解器對(duì)其進(jìn)行分析求解，獲得位移云圖、應(yīng)力云圖結(jié)果等具有借鑒意義的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖4 液壓缸的靜力位移云圖從圖4中可知道紅色部分變形量最大，最大值位于MX處，最小值位于MN處。從其中液壓缸的最大變形為0.224mm，位于活塞處。圖5液壓缸的靜力應(yīng)力云圖圖6 液壓缸的靜力局部應(yīng)力云圖從圖5中可知，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。最大應(yīng)力位于

11、耳環(huán)與活塞桿的連接處，其應(yīng)力值為175MPa。其中45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為360MPa，抗拉強(qiáng)度為610MPa，則液壓缸的安全系數(shù)為：由于45號(hào)鋼的安全系數(shù)為1.21.5，所以液壓缸的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。2.2基于ANSYS的屈曲分析當(dāng)結(jié)構(gòu)所受的載荷達(dá)到某一值時(shí)，若增加一微小的增量，則結(jié)構(gòu)的平衡位形將發(fā)生很大的改變，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)屈曲或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。而在很多工況場(chǎng)合，當(dāng)液壓缸的軸向力達(dá)到和超過(guò)一定的限度即臨界載荷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)，使構(gòu)件失效，最終導(dǎo)致相關(guān)的裝置發(fā)生坍塌，由于這種突發(fā)失效具有突發(fā)性，常常帶來(lái)災(zāi)難性的的后果5。HSG型工程液壓缸活塞桿為關(guān)鍵承載部件，主要承受軸向載荷，特別是當(dāng)活塞桿直徑與活塞

12、桿的計(jì)算長(zhǎng)度之比大于10時(shí)，必須校核活塞桿的縱向彎曲強(qiáng)度。具體校核步驟如下：1）計(jì)算靜力解，結(jié)果如圖7；圖7 活塞桿靜力位移云圖2）計(jì)算特征值屈曲解（包括定義分析類(lèi)型為屈曲分析、設(shè)定分析選項(xiàng)、設(shè)定載荷步選項(xiàng)，完成上述設(shè)置并保存模型文件后，進(jìn)入ANSYS求解器進(jìn)行求解）。對(duì)HSG型工程液壓缸提取一階屈曲形態(tài)，得到活塞桿的位移云圖，其中特征屈曲系數(shù)為216.54，如圖8所示。其單位壓力20MPa，施加橫截面積為，最終活塞桿的失衡屈曲載荷為：F=特征屈曲系數(shù)截面面積單位壓力計(jì)算結(jié)果看出，其值遠(yuǎn)大于液壓推力，所以液壓缸不容易發(fā)生屈曲變形，即構(gòu)件系統(tǒng)是穩(wěn)定性的，液壓缸結(jié)構(gòu)合理。圖8 一階屈曲形態(tài)2.3基

13、于ANSYS的模態(tài)分析液壓缸在運(yùn)動(dòng)中極易發(fā)生共振現(xiàn)象，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算液壓缸的固有頻率對(duì)于避免共振問(wèn)題具有重要意義。具體分析步驟如下：在使用ANSYS進(jìn)行靜力解計(jì)算時(shí)，注意一定要激活預(yù)應(yīng)力效應(yīng)；然后進(jìn)行模態(tài)分析解計(jì)算（包括定義分析類(lèi)型為模態(tài)分析、設(shè)定分析選項(xiàng)，選用Block lanzocos方法提取模態(tài)，模態(tài)數(shù)設(shè)置為4、指定載荷步選項(xiàng)、設(shè)定輸出控制選項(xiàng)，之后進(jìn)行求解）。為清晰地顯示發(fā)生共振后的變形，提取了一階模態(tài)和二階模態(tài)的變形云圖，如圖7-8所示。圖9一階模態(tài)的變形云圖圖10二階模態(tài)的變形云圖由圖9可以看出，通過(guò)對(duì)HSG型工程液壓缸一階模態(tài)的固有頻率進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果為115.76 Hz

14、，由圖10顯示二階模態(tài)的固有頻率為425.38Hz 。而且最大位移在缸筒與活塞桿的連接處，發(fā)生比較大的變形，其值遠(yuǎn)大于靜力分析所求的值，對(duì)液壓缸損害性很大，因此通過(guò)計(jì)算模態(tài)可以有效避免共振的發(fā)生，具有很重要的工程價(jià)值。3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，得到如下結(jié)論：1） 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)力分布計(jì)算，為產(chǎn)品研發(fā)與分析提供重要參考；2） 針對(duì)液壓缸的主要軸向載荷承受部件活塞桿進(jìn)行了屈曲分析，實(shí)現(xiàn)了活塞桿的縱向彎曲強(qiáng)度校核；3） 對(duì)液壓缸進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率來(lái)避免共振現(xiàn)象。所提方法及上述結(jié)論對(duì)于液壓缸系統(tǒng)的研發(fā)與分析具有重要工

15、程價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 YANG X, ZONG S, CAO X. Structural design of hydraulic press with finite element method J. Heavy Machinery, 2003, 6: 34-402 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):45-503 Hai-fei W, Kun-kun J, Zi-peng G. Random vibration analysis for the chassis frame of hydraulic truck based on ANSYSJ. Journal of Chemical & Pharmaceutical Research, 2014, 6(3):53-554 Liu H L, Liu Y. Strength Analysis of Hydraulic Support Column B