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1 張文輝1,2（1.麗水學院 工學院，浙江 麗水 323000；2. 哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱 150001）摘要：HSG型液壓缸在工程機械等領域有著廣泛用途，當前還缺乏系統(tǒng)的有限元分析方法。首先針對HSG型液壓缸系統(tǒng)分別從力位移、全局應力及局部應力進行了靜力計算；進而對液壓缸的主要軸向載荷承受部件活塞桿進行了縱向彎曲強度的校核，分析構件穩(wěn)定性；最后對液壓缸系統(tǒng)進行模態(tài)分析，通過系統(tǒng)固有頻率的計算能夠有效避免共振危害的發(fā)生。所提方法與分析結果對于HSG型液壓缸研發(fā)具有重要借鑒價值。關鍵字：有限元；液壓缸；靜力分析；屈曲分析；模

2、態(tài)分析中圖分類號：TH11文獻標識碼：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變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓元件，具有結構簡單，工作可靠的特性，能夠在實現往復運動時無需減速裝置，沒有傳動間隙，且運動平穩(wěn)的優(yōu)點，在能

6、源、機械等各工業(yè)領域及日常設備中有著廣泛用途，由于液壓缸的剛度、強度、穩(wěn)定性及振動特性等因素將直接影響到液壓缸的使用壽命和工作性能，因此對其進行深入研究具有重要意義1-2。文獻3針對液壓支架結合力學原理進行了分析計算，利用ANSYS對應力和穩(wěn)定性進行了研究。文獻4針對車用液壓缸進行靜態(tài)、動態(tài)和壓桿穩(wěn)定性分析，獲得了結構穩(wěn)定性條件。文獻5針對液壓缸承受徑向載荷力，對其進行非線性分析，獲得了最大載荷計算辦法。文獻6針對翻卷機液壓缸各部件承受軸向力進行靜力分析，分析了剛度等指標。文獻7針對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生彎曲變形導致液壓缸整體失穩(wěn)的問題，建立撓曲性微分方程，獲得了

7、液壓缸臨界載荷分析方法?？紤]到當前液壓缸的強度校核、應力及穩(wěn)定性分析、共振問題等還缺少系統(tǒng)的分析方法，以廣泛應用的HSG型工程液壓缸為例，對系統(tǒng)的靜力、屈曲及模態(tài)進行了分析，從而形成系統(tǒng)完整的液壓缸靜動態(tài)指標分析方法，該方法對液壓缸的研發(fā)及其它類似結構具有重要工程指導意義。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械、起重機、運輸機械及工程車輛的液壓傳動系統(tǒng)中，具有典型意義。首先定義參數為：內徑為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 ，試驗壓力為20MPa。考

8、慮到專業(yè)的三維建模軟件Solidworks與ANSYS具有無縫連接，利用Solidworks首先建立工程液壓缸的模型，進而導入ANSYS中，其結果如圖1所示。圖1 液壓缸有限元模型1) 定義材料屬性和網格劃分工程上HSG型工程液壓缸。同時考慮到液壓缸的結構近似為階梯軸，Solid95號高階三維實體單元，其中Solid95單元是20節(jié)點六面體單元，仿真精度高，因此利用Solid95實體結構單元可以很好模擬液壓缸的結構強度。采用自由網格(free)劃分,得到模型節(jié)點數24602 ，單元數 12798。其網格模型如圖2所示。圖2液壓缸網格劃分效果圖2) 添加接觸單元因活塞與缸筒之間，活塞桿與導向套之

9、間是相對滑動的，因此需要建立接觸對，利用接觸向導對話框對活塞桿與導向套之間和活塞與缸筒之間建立接觸對能夠實現模擬活塞桿與缸筒之間的運動情況。設定接觸剛度比例因子為1.0。3) 施加約束和載荷對構件進行有限元分析時，為使數值解存在且唯一，需要對結構的剛體位移進行消除，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際工程中的具體應用情況，針對扭轉情況，則設定3個旋轉自由度rotx、roty、rotz。對兩端的耳環(huán)處，設定1個繞軸的旋轉的自由度來模擬鉸接約束。同時設定對稱約束。由于液壓缸的實際工作壓力為16MPa，根據國家規(guī)定的試驗加載方式，對液壓缸進行1.25倍載荷的施加，即對液壓缸施

10、加20MPa的力，分別對缸體內表面、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后處理部分是將結果可視化，可幫助用戶有效、快捷地分析計算結果。啟動ANSYS求解器對其進行分析求解，獲得位移云圖、應力云圖結果等具有借鑒意義的數據分析結果。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液壓缸的靜力應力云圖圖6 液壓缸的靜力局部應力云圖從圖5中可知，最大應力為175MPa,位于耳環(huán)與活塞桿的連接處。圖6為活塞桿與耳環(huán)連接處的應力分布。最大應力位于

11、耳環(huán)與活塞桿的連接處，其應力值為175MPa。其中45號鋼的屈服強度為360MPa，抗拉強度為610MPa，則液壓缸的安全系數為：由于45號鋼的安全系數為1.21.5，所以液壓缸的設計滿足強度要求。2.2基于ANSYS的屈曲分析當結構所受的載荷達到某一值時，若增加一微小的增量，則結構的平衡位形將發(fā)生很大的改變，這種現象稱為結構屈曲或結構失穩(wěn)。而在很多工況場合，當液壓缸的軸向力達到和超過一定的限度即臨界載荷時就會出現失穩(wěn)，使構件失效，最終導致相關的裝置發(fā)生坍塌，由于這種突發(fā)失效具有突發(fā)性，常常帶來災難性的的后果5。HSG型工程液壓缸活塞桿為關鍵承載部件，主要承受軸向載荷，特別是當活塞桿直徑與活塞

12、桿的計算長度之比大于10時，必須校核活塞桿的縱向彎曲強度。具體校核步驟如下：1）計算靜力解，結果如圖7；圖7 活塞桿靜力位移云圖2）計算特征值屈曲解（包括定義分析類型為屈曲分析、設定分析選項、設定載荷步選項，完成上述設置并保存模型文件后，進入ANSYS求解器進行求解）。對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=特征屈曲系數截面面積單位壓力計算結果看出，其值遠大于液壓推力，所以液壓缸不容易發(fā)生屈曲變形，即構件系統(tǒng)是穩(wěn)定性的，液壓缸結構合理。圖8 一階屈曲形態(tài)2.3基

13、于ANSYS的模態(tài)分析液壓缸在運動中極易發(fā)生共振現象，針對這個問題，通過計算液壓缸的固有頻率對于避免共振問題具有重要意義。具體分析步驟如下：在使用ANSYS進行靜力解計算時，注意一定要激活預應力效應；然后進行模態(tài)分析解計算（包括定義分析類型為模態(tài)分析、設定分析選項，選用Block lanzocos方法提取模態(tài)，模態(tài)數設置為4、指定載荷步選項、設定輸出控制選項，之后進行求解）。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，通過對HSG型工程液壓缸一階模態(tài)的固有頻率進行計算，其結果為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，其值遠大于靜力分析所求的值，對液壓缸損害性很大，因此通過計算模態(tài)可以有效避免共振的發(fā)生，具有很重要的工程價值。3結論本文基于ANSYS對液壓缸進行了較為系統(tǒng)有限元分析，得到如下結論：1） 對液壓缸系統(tǒng)進行了力位移計算、全局應力分布及局部應力分布計算，為產品研發(fā)與分析提供重要參考；2） 針對液壓缸的主要軸向載荷承受部件活塞桿進行了屈曲分析，實現了活塞桿的縱向彎曲強度校核；3） 對液壓缸進行模態(tài)分析，通過計算系統(tǒng)的固有頻率來避免共振現象。所提方法及上述結論對于液壓缸系統(tǒng)的研發(fā)與分析具有重要工

15、程價值。參考文獻1 YANG X, ZONG S, CAO X. Structural design of hydraulic press with finite element method J. Heavy Machinery, 2003, 6: 34-402 嚴海綱,黃泊戩,梅雪峰.采煤機搖臂殼體有限元分析J.煤礦機械，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