HSG型工程液压缸基于ANSYS的有限元分析.doc

文章编号：(编辑给出)
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免共振危害的发生。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 Analysis for HSG Hydraulic Cylinder System
based on ANSYS
Zhang Shiying 1 Zhang Wenhui1,2
（1.Institute 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 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 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 method 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

收稿日期：2014年05月--日；修订日期：2014年--月--日
基金项目：国家自然科学基金项目（61171189）,国家科技支撑计划项目（2013BAC16B02）,浙江省自然科学基金项目（LY14F030005），浙江省公益技术项目（2013C3110），浙江省教育厅项目（Y201330000）.
作者简介：蒋理剑(1977-)，男，硕士，研究方向为液压传动与有限元分析；
张文辉(1980-)，男，博士，副教授，研究方向为有限元分析与机械结构优化设计.

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，因此对其进行深入研究具有重要意义[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研究。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。
2 HSG液压缸系统基于ANSYS的有限元分析
2.1 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型工程液压缸材料为45号钢，其弹性模量为220GPa，泊松比为0.3。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。采用自由网格(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，最大值位于MX处，最小值位于MN处从其中液压缸的最大变形为0.224mm，位于活塞处。

图5液压缸的静力应力云图

图6 液压缸的静力局部应力云图
从图5中可知，最大应力为175MPa,位于耳环与活塞杆的连接处。图6为活塞杆与耳环连接处的应力分布。最大应力位于耳环与活塞杆的连接处，其应力值为175MPa。其中45号钢的屈服强度为360MPa，抗拉强度为610MPa，则液压缸的安全系数为：

由于45号钢的安全系数为1.2~1.5，所以液压缸的设计满足强度要求。
2.2 基于ANSYS的屈曲分析
当结构所受的载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种现象称为结构屈曲或结构失稳。而在很多工况场合，当液压缸的轴向力达到和超过一定的限度即临界载荷时就会出现失稳，使构件失效，最终导致相关的装置发生坍塌，由于这种突发失效具有突发性，常常带来灾难性的的后果[5]。
HSG型工程液压缸活塞杆为关键承载部件，主要承受轴向载荷，特别是当活塞杆直径与活塞杆的计算长度之比大于10时，必须校核活塞杆的纵向弯曲强度。具体校核步骤如下：
1）计算静力解，结果如图7；

图7 活塞杆静力位移云图
2）计算特征值屈曲解（包括定义分析类型为屈曲分析、设定分析选项、设定载荷步选项，完成上述设置并保存模型文件后，进入ANSYS求解器进行求解）。
对HSG型工程液压缸提取一阶屈曲形态，得到活塞杆的位移云图，其中特征屈曲系数为216.54，如图8所示。其单位压力20MPa，施加横截面积为，最终活塞杆的失衡屈曲载荷为：
F=特征屈曲系数 截面面积单位压力

计算结果看出，其值远大于液压推力，所以液压缸不容易发生屈曲变形，即构件系统是稳定性的，液压缸结构合理。

图8 一阶屈曲形态
2.3 基于ANSYS的模态分析
液压缸在运动中极易发生共振现象，针对这个问题，通过计算液压缸的固有频率对于避免共振问题具有重要意义。具体分析步骤如下：
在使用ANSYS进行静力解计算时，注意一定要激活预应力效应；然后进行模态分析解计算（包括定义分析类型为模态分析、设定分析选项，选用Block lanzocos方法提取模态，模态数设置为4、指定载荷步选项、设定输出控制选项，之后进行求解）。
为清晰地显示发生共振后的变形，提取了一阶模态和二阶模态的变形云图，如图7-8所示。

图9 一阶模态的变形云图

图10 二阶模态的变形云图
由图9可以看出，通过对HSG型工程液压缸一阶模态的固有频率进行计算，其结果为115.76 Hz，由图10显示二阶模态的固有频率为425.38Hz 。而且最大位移在缸筒与活塞杆的连接处，发生比较大的变形，其值远大于静力分析所求的值，对液压缸损害性很大，因此通过计算模态可以有效避免共振的发生，具有很重要的工程价值。

3结论
本文基于ANSYS对液压缸进行了较为系统有限元分析，得到如下结论：
1） 对液压缸系统进行了力位移计算、全局
应力分布及局部应力分布计算，为产品研发与分析提供重要参考；
2） 针对液压缸的主要轴向载荷承受部件
活塞杆进行了屈曲分析，实现了活塞杆的纵向弯曲强度校核；
3） 对液压缸进行模态分析，通过计算系
统的固有频率来避免共振现象。
所提方法及上述结论对于液压缸系统的研发与分析具有重要工程价值。

参考文献
[1] YANG X, ZONG S, CAO X. Structural design of hydraulic press with finite element method [J]. Heavy Machinery, 2003, 6: 34-40
[2] 严海纲,黄泊戬,梅雪峰.采煤机摇臂壳体有限元分析[J].煤矿机械，2011,3(10):45-50
[3] Hai-fei W, Kun-kun J, Zi-peng G. Random vibration analysis for the chassis frame of hydraulic truck based on ANSYS[J]. Journal of Chemical & Pharmaceutical Research, 2014, 6(3):53-55
[4] Liu H L, Liu Y. Strength Analysis of Hydraulic Support Column Based on Pro/E and ANSYS-workbench[J]. Meikuang Jixie (Coal Mine Machinery), 2013, 34(5): 126-128.
[5] 杨宏亮,彭岩.液压缸承受径向载荷的非线性有限元分析[J].机械设计与制造 2008.3(6):23-26
[6] 罗海萍、潘佐云、唐清春 基于ANSYS的翻卷机液压缸的有限元分析[J].广西工学院学报,2011.9(9): 45-49
[7] 林荣川,郭隐彪,魏莎莎,林辉.液压缸临界载荷计算和最优设计[J].中国机械工程, 2011. 2(9):125-128