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基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究

摘要：有限元软件ANSYS在工业领域求解非线性多物理场有着非常广泛的应用，本文基于该软件对某企业生产的一轮胎定型硫化机开合模油缸活塞杆进行热一力耦合计算和分析。构建了螺纹配合下的活塞杆仿真模型，并进一步分析得出了在考虑高温工作下和未考虑高温工作下活塞杆受力状态的应力场，进行对比分析找出了该型硫化机长时间工作后密封性能下降的原因。其仿真方法和结果为有限元软件ANSYS应用于该型产品或同类产品的多物理场耦合分析计算提供了一定理论指导和借鉴，能够为其结构设计提供数据基础和一定参考。
关键词：有限元分析;ANSYS软件;活塞杆;热力耦合;液压缸
：TP391
：A
：1009-3044（2019）34-0218-03
轮胎定型硫化机是轮胎生产中的重要设备，目前工程使用过程中会出现随着工作时间的增加起保压能力下降的现象，这会直接影响轮胎的质量。由于该硫化机依靠活塞杆对其施压，根据产品结构可知，活塞杆一直处于高温的受力状态。
ANSYS软件具有高精度、高时效、多种计算方法的非线性多物理场求解功能，文献[1]分别用隔离法和整体法在ANSYS里完成接触式机械密封环温度场的模拟计算，在温度场的基础上进而完成了密封环热力耦合的分析。文献[2]主要是利用ANSYS对转接头的隔热防护结构进行了瞬态热力耦合分析，基于温度场分析结果对接头件进行了参数化设计和改进;但螺栓垫片等连接处、转角处的应力效应和热膨胀效应考虑不足。文献[3]基于ANSYS有限元分析对球磨机的梁结构在不同外载荷情况下进行了热力耦合分析，对梁的设计和球磨机改造有指导作用。还有其他一些工程应用人员和学者对该软件应用于结构的热一力耦合分析和研究也做出了应用实例及相关工作[4-5]。
本文参考现有利用ANSYS软件进行结构的热一力耦合分析案例，对某公司生产的一型号硫化机的活塞杆进行热一力耦合分析，为适用于硫化机上工况特殊的活塞杆提供一种新设计和优化方法，也为该软件应用于该工程领域提供一定借鉴和分析实例参考。
1 ANSYS软件简介及油缸结构模型的分析与简化
1.1 ANSYS软件在多物理耦合场应用简介
ANSYS软件是美国开发的一款商用有限元计算软件，具有功能强大、操作简单、求解精度高的优点。该软件操作界面友好，涉及的计算方法众多.对计算机硬件依赖较小，因此很多高校和工程应用均将该软件作为有限元分析的首要求解工具。随着工程应用的深入，分析对象和工况也越来越复杂化，耦合场分析是考虑了诸如力和热、力和热及磁场等两个或两个以上的多物理场之间的相互作用。利用ANSYS软件进行多物理场求解时，从操作上有建模、求解、结果后处理三个步骤。
1.2 油缸结构及运动原理
以某雙模轮胎定型硫化机为例，根据生产厂家结合产品在工程应用上的工作特性，其开合模油缸在工程中具有以下几个典型特点：
1）油缸在合模过程中会承受来自胶囊的反作用力;
2）油缸活塞杆为受压杆件;
3）活塞杆工作温度正常状态下为160℃左右，恶劣情况下会高达400℃。
由实际生产数据，轮胎在合模之后需要经历一定时间的橡胶硫化保压时间，所以活塞杆的整个运动过程应当采用稳态分析，根据油缸和活塞杆的工作和装配情况，为方便分析做出其运动简图如下图1所示。图中，表示活塞和油缸壁之间的摩擦力;表示活塞杆承受的液压力;表示胶囊结构对上热板的反作用力。
1.3 活塞杆的模型简化
活塞杆由于较长，在生产过程中还需要长时间地在高温过程中施加压力，在油缸结构中比较重要。由于在有限元软件中对划分网格及算法的需要，将活塞杆的一些细微结构入圆角、螺纹等忽略，参考文献[7]忽略这些细小特征不会影响计算结果，简化后的分析结构模型如图2所示。
2 单应力场有限元分析
对活塞杆结构进行简化后，活塞杆结构满足有限元软件中的轴对称模型，且载荷也具有轴对称特性，为此本文采用轴对称模型对其进行分析计算。温度场分析的理论基础和应用公式参见文献[1]，热一力耦合的理论分析方程可参见文献[5-6]等，这里不再赘述。
热一力耦合分析可简单分为顺序耦合热一力分析和完全耦合热一力分析。结合ANSYS软件对电脑硬件的要求、计算时间和对计算结果的精度要求，本文采用顺序方式的热力耦合分析方法来求解活塞杆结构。
按上述软件的计算流程，对活塞杆进行应力计算，在软件ANSYS中选择182号弹塑性断裂模型单元，分析对象的材料特性如表1所示，计算后读取计算结果，如下图3所示。
在有限元软件ANSYS中输入上表1的材料参数，定义分析类型为稳态单结构场分析，确定载荷和边界条件，同时设定仿真步后开始计算。在后处理器中读取计算结果，得到活塞杆和油缸的应力和应变云图，如图4所示。由仿真结果可知，活塞杆在该载荷条件下最大应力位于活塞与活塞杆的连接位置处，为36.9MPa，最大应变0.176mm;同时活塞导向环和密封环处的应力大小为20.5MPa，应变均为0.098mm。
3 热一力耦合分析过程
3.1 温度场数值模拟
根据前述的顺序热力耦合分析法，采用分步法计算活塞杆在耦合场中的受力及应变分布，首先需要获得活塞杆在危险受力工况下的温度场分布情况。根据实际工况，活塞杆的热输入条件为：恒温160℃且保温1分钟，同时材料比热容为C=480 J，（Kg·K）。经过软件计算，得到活塞杆温度场分布情况，同时为进一步揭示活塞杆的温度情况，通过后处理获得沿轴线方向的温度曲线如图5所示。分析结果可知，温度在活塞杆上呈线性变化，最高温度为160℃，处在活塞杆的上热板上，最低温度为25℃，处于开合模油缸底端。活塞杆轴线方向温度分布有转折突变是因为活塞与活塞杆直径不同造成在连接处传热不均匀。
3.2 热一力耦合分析
查阅材料参数，活塞及活塞杆在各温度点下的材料温度参数如下表2所示。进一步将活塞杆温度场分布情况作为一个载荷施加到结构场中，同时需要定义耦合约束。然后利用AN-SYS软件的求解器进行求解，得出活塞杆的应力云图和应变云图如下图6所示。
通过对活塞杆的热一力耦合场分析，其结构的最大应力和最大应变分别为38MPa和0.25mm，其最大应力位于活塞与活塞杆的连接位置处。进一步读取其他位置的应力值为：密封环处的应力和应变为25.5和0.17mm;活塞導向环处的应力和应变分别为30MPa和0.2mm。
4 耦合场仿真结果对比
将活塞杆在单应力状态下的求解结果在热一力耦合场中的求解结果进行对比分析，如图7、8所示。
（1）由图7可以看出，在耦合场中的最大应力求解结果略大于在单应力场中的求解结果，热一力耦合作用下结构的最大应力为38MPa，而单应力场中求解结果的最大应力为36.9MPa，且最大应力发生的位置在同一位置。
（2）从两者的应变应力分析结果来看，单应力场中求得的应变云图分布均匀，而热力耦合场作用下求得的应变应力显示在活塞上有波动现象。结合工程实际和产生波动的位置来看，其原因是耦合场综合考虑并计算了温度场对活塞和缸壁之间接触的影响，有热效应所产生的热应力使得活塞在导向环和密封环的位置处生产应力集中现象。该分析结果也符合T程实际：硫化机的硫化了作温度越高，其活塞应力波动以及导向环和密封环处的应力应变集中现象将更显著。
5 结论
1）有限元软件ANSYS能够很好地应用于结构的热一力耦合分析，将分析结果结合工程实际并展开分析，能够为结构的故障和优化设计提供很好的数据基础。通过该软件能够进一步展示和获得其结构内部的应力分布情况，能够为该类产品的分析计算方法提供相关借鉴和参考。
2）根据软件的计算结果，改变活塞杆上密封圈的型式和密封槽的形状，可以在改善其密封性能。
参考文献：
[1]陈汇龙，刘彤，林清龙，等.基于ANSYS接触式机械密封热力耦合的研究[J].流体机械，2012，40（07）：29-32.
[2]陈汇龙，刘彤，林清龙，等基于ANSYS接触式机械密封热力耦合的研究[J].流体机械，2012，40（07）：29-32.
[3]骆寰宇.基于ANSYS的接头热防护结构热力耦合分析与设计[A].北京力学会.北京力学会第18届学术年会论文集[C].北京力学会，2012：2.
[4]胡育勇.风机主轴制动器摩擦副热一力耦合有限元分析[D].南昌大学，2014.
[5]丁雪兴，吴昊，严如奇，等.基于ANSYS的机械密封热力耦合变形计算及分析[J].兰州理工大学学报，2014，40（05）：41-45.
[6]韩青，叶选林，任杉，等.液压轮胎定型硫化机液压系统设计与仿真[J].机床与液压，2014，（1）：116-119.
【通联编辑：唐一东】

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