基于ANSYS的液壓缸的有限元分析及優(yōu)化

1、第32卷第09期2011年09月煤礦機械Coal Mine Machinery基于ANSYS 的液壓缸的有限元分析及優(yōu)化韓以倫，溫學雷，王斌龍（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266510）要：介紹了柱塞液壓缸的基本結(jié)構(gòu)，利用Pro/E軟件對液壓缸缸體進行三維建模, 運用ANSYS 對液壓缸工作在最大油壓下進行有限元分析，并得出缸體的應力和應變分布。有效地優(yōu)化了缸體結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本。關(guān)鍵詞：液壓缸；有限元分析；ANSYS 中圖分類號：TD355文獻標志碼：A文章編號：10030794（2011）09009403摘Finite Element Analysis and Optimizati

2、on of Hydraulic Cylinder Basedon ANSYSHAN Yi-lun ，WEN Xue-lei, WANG Bin-long(Collegeof Mechanical and Electronic Engineering ，Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510,ChinaAbstract:The basic structure of the piston hydraulic cylinder was introduced. A three-dimensional model was

3、 carried out for the hydraulic cylinder by using Pro/Esoft ，the finite element analysis to the largest hydraulic condition while hydraulic cylinder working by using ANSYS soft ，and the distribution of the stress and strain of hydraulic cylinder was derived from it. It optimized the structure of hydr

4、aulic cylinder effectively and the cost was saved.Key words:hydraulic cylinder; finite element analysis; ANSYS 0引言液壓缸作為將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能的執(zhí)行元件已廣泛應用于各工程領(lǐng)域。尤其是液壓機行業(yè)。液壓缸的強度、剛度以及穩(wěn)定性對液壓機的性能和Equivalent StressType:Equivalent(von-MisesStressUnit:MPaTime:12010-3-1720:45!度。主肋間的橫肋板可以用屈服強度低點的材料。（3）在頂梁和掩護梁的連接部件構(gòu)件單元應力大，遠

5、離連接處構(gòu)件單元應力逐漸減小。掩護梁與前連桿在連接處，主肋位置上的單元應力值相對高，而主肋斜對稱位置，即掩護梁與后連桿連接處的單元應力值相對較小，因此掩護梁應力分布呈傾斜下降趨勢。3.3ZY6800/17/35掩護式液壓支架底座扭轉(zhuǎn)有限由圖5可以看出：（1）與頂梁扭轉(zhuǎn)有類似的狀況，矩形墊塊部位，元結(jié)果分析4即支架計算機模擬試驗有限元網(wǎng)格中邊界約束的固定點，甚至在該點所在的橫肋板單元應力達到本工況應力的最大值。而長墊塊周圍部件也有相對的應力集中；（2）底座在扭轉(zhuǎn)工況下，應力較大部位集中分布在底座；（3）由于底座受扭，底座的主肋和過橋應力值較大。在底座主肋和過橋處的應力達到500MPa 左右。通過

6、對以上有限元結(jié)果分析，可知在底座上的主肋處和過橋處要使用屈服強度為500MPa 以上的材料，同時使用2層過橋焊接在一起，插在底座結(jié)語本文通過對支架整機進行有限元分析，可以確定各個零部件的等級，在等效應力小的部位采用屈服強度低的材料，在等效應力大的部位采用屈服強度高的材料。以達到優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的效果。同時，由于分析結(jié)果是在簡化模型的基礎(chǔ)上得到的，與實際情況還有一定差距。所以，還需在試驗的基礎(chǔ)上，不斷修正有限元結(jié)果。這樣，才能更安全有效地指導液壓支架設(shè)計。參考文獻：圖5底座扭轉(zhuǎn)應力圖1張家鑒. 液壓支架M . 北京:煤炭工業(yè)出版社，1992. 2王國法. 液壓支架技術(shù)M . 北京：煤炭工業(yè)出版社，1

7、999.責任編輯：于秀文收稿日期：20110321第32卷第09期基于ANSYS 的液壓缸的有限元分析及優(yōu)化韓以倫， 等VOLUMESTYPE NUMMAR 17201110:31:39使用壽命起著決定性作用。由于液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，在工程上很容易出現(xiàn)液壓缸爆裂、斷裂、扭曲以及其他失效方式，會造成嚴重損失?；蛘撸つ康丶哟笠簤焊椎谋诤?、底厚等，這不僅使液壓缸體積增大，還加大了液壓缸的鑄造及安裝難度。隨著液壓缸結(jié)構(gòu)及受力情況復雜，并且由于液壓缸的安裝固定方式不同，采用人工校核費時費力，容易出錯。y x z圖2缸體模型Pro/E是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)。ANSYS 軟件是融結(jié)

8、構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE 工具之一。本文以多層壓機400T 柱塞液壓缸為例，把Pro/E和ANSYS 有機結(jié)合起來對其進行有限元分析及優(yōu)化。1基本結(jié)構(gòu)液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式可分為活塞缸、柱塞缸。柱塞與缸體不接觸，因此缸體內(nèi)壁不需精加工。柱塞是端部受壓，為保證柱塞缸有足夠的推力和穩(wěn)定性，柱塞一般較粗，重量較大，水平安裝時易產(chǎn)生單邊磨損，故柱塞缸宜垂直安裝。本文400T 液壓缸采用是柱塞缸（見圖1）。其回程靠推力柱塞自重及其頂部的零部件重力。（2）劃分網(wǎng)格及施加載荷缸體材料選用45鋼，彈

9、性模量為2.1e5M P a ，泊松比為0.28。本文選用十節(jié)點空間四面體SOLID92單元對缸體進行網(wǎng)格劃分。SOLID92有二次方位移，能很好地劃分不規(guī)則的網(wǎng)格（譬如有各種各樣的CAD/CAM軟件產(chǎn)生）。采用MESHTOOL 對缸體進行自由網(wǎng)格劃分，并對缸體壁與缸底過渡處和缸底中心范圍進行網(wǎng)格細化，整個模型共生成89317個單元。如圖3。模型的約束加在缸體的頭部右側(cè)面，全部自由度為零。中間對稱面加對稱約束symmetryB.C 以模擬整個模型的載荷情況。在模型的底面、缸體內(nèi)圓面及進油口施加面載荷21MPa ，如圖4所示。ELEMENTSMAR 17201110:42:48圖3ELEMENT

10、S缸體的網(wǎng)格劃分MAR 17201114:54:46圖1液壓缸的基本結(jié)構(gòu)圖4缸體的載荷施加2技術(shù)參數(shù)柱塞直徑/mm液壓系統(tǒng)工作壓力/MPa450213液壓缸有限元分析本文多層液壓機的400T 主油缸是整套設(shè)備的關(guān)鍵。對其各方面的性能及結(jié)構(gòu)要求比較高。既要使其滿足使用要求，又要降低設(shè)備重量、節(jié)約成本。（1）缸體建模及導入利用Pro/E建立缸體三維模型，通過專門ANSYS 的Pro/E接口導入ANSYS 中。不用通過輸出iges 或其他中間格式的文件再導入ANSYS 中。建立完接口后，ANSYS 按鈕直接顯示在Pro/E工具欄中?？紤]到缸體結(jié)構(gòu)的一些圓倒角、凸臺等在ANSYS 中影響網(wǎng)格的的劃分及

11、劃分質(zhì)量。有時還需要大量的布爾操作來修整模型。所以在Pro/E建模時忽略了一些對缸體結(jié)構(gòu)分析基本沒有影響的結(jié)構(gòu)。本缸體為軸對稱實體，建立ANSYS 的Pro/E的接口及導入的模型如圖所示。（3）缸體靜力分析本文對缸體在最大油壓時對其進行有限元分析。分析結(jié)果如下：由缸體的應力云圖（略）可知最大應力集中在缸底與缸壁的過渡處，為165M P a ；由缸體的位移云圖（略）可知最大變形發(fā)生在缸底正中心，為0.149mm 。最大允許屈服強度=s /n =382/2=191MPa式中s 缸體屈服強度，s =382MPa ；安全數(shù)，n =2。n 由于>165MPa ，缸體強度滿足設(shè)計要求。變形量小于對應

12、密封件的變形量，剛度也滿足設(shè)計要求。通過有限元分析，比傳統(tǒng)設(shè)計壁厚和缸底分別減薄30mm 和18mm 。使壁厚、缸底厚更合理，便于鑄造，節(jié)約了成本。經(jīng)擴展操作：Utility Menu Plot Ctrls Style Sym -metry Expansion Periodic/CyclicSymmetry Reflect about XY 可得到整個缸體的應力云圖，如圖5所示。經(jīng)過操作Utility Menu Plot Ctrls Animate De -formed Results 可得到缸體應力的動態(tài)變化過程。第32卷第09期2011年09月煤礦機械Coal Mine Machinery

13、基于千斤頂?shù)姆€(wěn)定性分析與研究宋雷雷，付存銀，左振中，柯昌青，劉純平(三一重型裝備有限公司, 沈陽110027要：液壓千斤頂在工作過程中常常會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，以等截面法、不等截面法對液壓千斤頂進行壓桿穩(wěn)定性理論計算，同時應用ANSYS 分析，對等截面法和不等截面法理論計算進行驗算，從而進一步核對理論計算結(jié)果，通過比較計算結(jié)果來完善千斤頂設(shè)計中的壓桿穩(wěn)定性計算方法，找出影響壓桿穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：油缸；等截面法；不等截面法；壓桿穩(wěn)定性中圖分類號：TD355文獻標志碼：A文章編號：10030794（2011）09009603摘Stability Analysis and Research Bas

14、ed on CylinderSONG Lei-lei ，F(xiàn)U Cun-yin ，ZUO Zhen-zhong ，KE Chang-qing ，LIU Chun-ping(SanyHeavy Equipment Limited Company, Shenyang 110027, ChinaAbstract:The hydraulic cylinder will present the curving phenomenon frequently in the work process, by the constant section method, the ranging section meth

15、od ，carry on the strut bracing stability theory computation to the hydraulic cylinder, simultaneously using the ANSYS analytic method, the coordinated method of sections and the constant section method will not carry on the checking calculation, thus further school team theoretical calculation resul

16、t, will consummate in the cylinder design through the comparison computed result the strut bracing stable method, will discover the influence strut bracing stable key aspect.Key words:cylinder ；constant section method ；ranging section method ；strut bracing stability 0引言在工程機械中液壓傳動系統(tǒng)應用極為廣泛，尤其在液壓支架中的設(shè)計

17、和使用中，護幫千斤頂、伸縮千斤頂、插板千斤頂及推移千斤頂都會出現(xiàn)一定! 由上述可知，應力主要集中在缸壁與缸底的過渡處4結(jié)語及進油口的左右兩側(cè)?，F(xiàn)在缸壁及缸底加肋進一步對缸體受力情況進行優(yōu)化，如圖1所示?；蛘呖梢赃m當?shù)丶哟蟾椎椎膱A弧的半徑。通過有限元分析可得到最大應力減小15%，最大變形量減少5%。NODAL SOLUTION STEP=1SUB=1TIME=1/EXPANDEDSINT (AVGDMX=.149E-03（1）本文采用強大的實體建模軟件Pro/E與專門的有限元分析軟件ANSYS 相結(jié)合對液壓缸缸體進行有限元分析，掌握了通過專門的接口將Pro/E模型導入ANSYS 的方法，節(jié)省了在ANSYS 中大量的建模時間；（2）優(yōu)化了缸體的結(jié)構(gòu)，使缸體壁厚和底厚更加合理，有效地避免在缸體鑄造時，由于鋼水的流動性及冷卻條件等出現(xiàn)的縮松和縮孔現(xiàn)象；（3）改善液壓缸的受力情況，提高了液壓缸在使用中的穩(wěn)定性，延長了設(shè)備使用壽命；（4）減輕了液壓缸的重量，節(jié)約了成本，便于安裝和運輸。參考文獻：1王福恥，張朝輝. ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用M . 北京：電子工業(yè)出版社，2006.2臧克江. 液壓缸M . 北京：化學工業(yè)出版社，2010. 3成大先. 機械設(shè)計手冊K . 北京：化學工業(yè)出版社，2008.作者簡介：韓以倫（1962-），山西