HSG型工程液压缸基于ANSYS的有限元分析

精品文档---下载后可任意编辑 HSG型工程液压缸基于ANSYS的有限元分析 张士营1 张文辉1,2 （1.丽水学院 工学院，浙江 丽水 323000；2. 哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘要：HSG型液压缸在工程机械等领域有着广泛用途，当前还缺乏系统的有限元分析方法。首先针对HSG型液压缸系统分别从力位移、全局应力及局部应力进行了静力计算；进而对液压缸的主要轴向载荷承受部件活塞杆进行了纵向弯曲强度的校核，分析构件稳定性；最后对液压缸系统进行模态分析，通过系统固有频率的计算能够有效避开共振危害的发生。所提方法与分析结果对于HSG型液压缸研发具有重要借鉴价值。 关键字：有限元；液压缸；静力分析；屈曲分析；模态分析 中图分类号：TH11文献标识码：A Finite Element Analysisfor HSG Hydraulic Cylinder System based on ANSYS ZhangShiying1 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 engineering machinery and other fields, the system finite element analysis 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 axial 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 and 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 analysis 精品文档---下载后可任意编辑 1引言 液压缸是一种将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压元件，具有结构简单，工作可靠的特性，能够在实现往复运动时无需减速装置，没有传动间隙，且运动平稳的优点，在能源、机械等各工业领域及日常设备中有着广泛用途，由于液压缸的刚度、强度、稳定性及振动特性等因素将直接影响到液压缸的使用寿命和工作性能，因此对其进行深化讨论具有重要意义[1]-[2]。 文献[3]针对液压支架结合力学原理进行了分析计算，利用ANSYS对应力和稳定性进行了讨论。文献[4]针对车用液压缸进行静态、动态和压杆稳定性分析，获得了结构稳定性条件。文献[5]针对液压缸承受径向载荷力，对其进行非线性分析，获得了最大载荷计算办法。文献[6]针对翻卷机液压缸各部件承受轴向力进行静力分析，分析了刚度等指标。文献[7]针对液压缸活塞杆与缸体由于受轴力和横向力的共同作用而产生弯曲变形导致液压缸整体失稳的问题，建立挠曲性微分方程，获得了液压缸临界载荷分析方法。 考虑到当前液压缸的强度校核、应力及稳定性分析、共振问题等还缺少系统的分析方法，以广泛应用的HSG型工程液压缸为例，对系统的静力、屈曲及模态进行了分析，从而形成系统完整的液压缸静动态指标分析方法，该方法对液压缸的研发及其它类似结构具有重要工程指导意义。 2HSG液压缸系统基于ANSYS的有限元分析 基于ANSYS的静力分析 HSG型工程液压缸主要用于各种工程机械、起重机、运输机械及工程车辆的液压传动系统中，具有典型意义。首先定义参数为：内径为63mm，外径为83mm，活塞杆直径为32mm，行程为500mm，最小安装距为795mm，工作压力为16MPa ，试验压力为20MPa。 考虑到专业的三维建模软件Solidworks与ANSYS具有无缝连接，利用Solidworks首先建立工程液压缸的模型，进而导入ANSYS中，其结果如图1所示。 图1 液压缸有限元模型 1) 定义材料属性和网格划分 工程上HSG型工程液压缸。同时考虑到液压缸的结构近似为阶梯轴，Solid95号高阶三维实体单元，其中Solid95单元是20节点六面体单元，仿真精度高，因此利用Solid95实体结构单元可以很好模拟液压缸的结构强度。采纳自由网格(free)划分,得到模型节点数24602 ，单元数 12798。其网格模型如图2所示。 图2液压缸网格划分效果图 2) 添加接触单元 因活塞与缸筒之间，活塞杆与导向套之间是相对滑动的，因此需要建立接触对，利用接触向导对话框对活塞杆与导向套之间和活塞与缸筒之间建立接触对能够实现模拟活塞杆与缸筒之间的运动情况。设定接触刚度比例因子为1.0。 3) 施加约束和载荷 对构件进行有限元分析时，为使数值解存在且唯一，需要对结构的刚体位移进行消除，使总体刚度矩阵保持非奇异性。考虑到HSG工程用型液压缸在实际工程中的具体应用情况，针对扭转情况，则设定3个旋转自由度rotx、roty、rotz。对两端的耳环处，设定1个绕轴的旋转的自由度来模拟铰接约束。同时设定对称约束。 由于液压缸的实际工作压力为16MPa，根据国家规定的试验加载方式，对液压缸进行1.25倍载荷的施加，即对液压缸施加20MPa的力，分别对缸体内表面、下表面及活塞底端施加载荷。其约束和载荷的加载情况如图3所示。 图3 液压缸的约束和载荷 ANSYS后处理部分是将结果可视化，可帮助用户有效、快捷地分析计算结果。启动ANSYS求解器对其进行分析求解，获得位移云图、应力云图结果等具有借鉴意义的数据分析结果。 图4 液压缸的静力位移云图 从图4中可知道红色部分变形量最大，最大值位