基于ANSYS的某型液压缸静力学分析

【摘 要】用有限元分析方法研究某型液压缸，选用SOLIDWORKS软件建立液压缸的三维实体模型，在此基础上，研究液压缸有限元模型的建模方法，包括CAD模型的导入、模型的简化原则、单元的选择等，并应用有限元分析方法对液压缸有限元模型进行结构静力学分析。通过分析液压缸变形和应力分布对其设计进行评价，确定该液压缸结构的整体弯曲刚度、局部弯曲刚度是否符合要求。

【关键词】液压缸；有限元；静力学分析

0 引言

液压缸是液压系统中最重要的执行元件，它将液压能转换为机械能，并与各种传动机构相配合，完成各种机械运动。液压缸具有结构简单、输出力大、性能稳定可靠、使用维护方便、应用范围广泛等特点，因此在液压传动中尤为重要。其优点表现在：体积小、重量轻、能容量大；调速范围大，可方便地实现无级调速；可方便灵活地布置传动装置；与微电子技术结合，易于实现自动控制；可实现过载保护等。正是由于液压缸的这些优点，满足了工程机械的工作载荷大、工作条件恶劣等特点。其在工程机械和矿山机械上的用途最多，在金属切削机床、锻压机床和注塑机、农业机械、船舶、冶金设备、飞机及其它自动化设备中也被大量应用。

随着液压传动技术的发展，作为其核心零部件之一的液压缸也在不断向高可靠性、高精度、智能化、节能化和轻量化等方向发展。有了计算机的辅助设计，为其设计和分析上提供了精密设计的依据以及便利的分析条件。本文所研究的液压缸应用于火炮人工后坐装置中，通过其施力杆对火炮炮筒进行施力，从而检测整个火炮的装配质量和工作的可靠性。

1 液压缸的三维实体建模

1.1 整体模型的建立

根据该液压缸的二维装配图纸建模，包括液压缸体、活塞杆、施力杆等。在SOLIDWORKS中建立的模型如图1所示。

图1 液压缸的三维模型图

1.2 液压缸有限元模型简化

通过ANSYS有限元软件分析其模型时，需根据其实际结构的重要力学特性以及承载特点，作一些必要的简化，采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度，节约计算时间。在简化的过程中必须区分承载件、辅助承载件和工艺装饰件三类构件。对第一类应尽量保留其原结构形状、位置，才能比较真实反映液压缸上的应力分布。第二类构件一般可以保留原力学性质即单元刚度矩阵的主要特征，为减少计算工作量，突出主要矛盾，可以适当进行简化、合并等效。第三类构件的作用不是着眼于增加结构强度，计算时可以简化略去。

综上所述，我们对液压缸模型进行了简化，为了方便后面的分析，在简化的图形中又加入了机械手的部分构件，将在SOLIDWORKS里简化的模型保存为parasolid格式文件后导入到ANSYS中的PARA格式，该方法可提供精确的几何边界表达，通过其容错造型（tolerant modeling）技术，可实现数据的无缝传送，保证模型传送的精度。其简化的有限元模型如图2所示。

图2 液压缸有限元模型

2 液压缸静力学分析

2.1 定义材料属性

液压缸缸体材料选用45号钢，其结构参数为：弹性模量为206GPa，泊松比为0.28，密度为7.85kg/mm3；

活塞杆和施力推杆材料选用40Cr，其结构参数为：弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7.9kg/mm3

2.2 定义单元类型

液压缸模型选用Solid45单元。因为Solid45单元是空间六面体8结点单元，每个节点3个自由度，x，y，z三个方向，用于三维实体结构模型。该元素有塑性，徐变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。并且这个单元不需要设置实常数（real constants），因为单元的结点定了之后，其几何形状就定了。

2.3 网格划分

液压缸的网格划分如图3所示：共划分126225个单元，55078个节点。

图3 液压缸的网格划分

2.4 加载与结果求解分析

2.4.1 液压缸自身重力分析

由于液压缸在人工后坐装置中为主要的施力元件，其完全伸出的情况下长度较长，因此在伸缩过程中受自身重力影响较大，液压缸完全伸出的情况实际上即为液压缸在重力作用下变形最大的情况，即根据设计要求，系统工作条件最恶劣的情况，因此需对其重力作用下的变形进行分析。

在液压缸完全伸出的情况下对液压缸缸体与活塞杆、活塞杆与施力杆的连接处进行约束，限制其自由度。在加载重力载荷时，需要在材料属性里设定材料的密度，加载重力加速度，即在施加荷载里定义y向的加速度9.8。图4即为液压缸完全伸出时的变形图，图5为该情况下液压缸的应变图。结果表明，液压缸最大变形点发生在顶端，最大变形为2.066mm，最大应力为160.77MPa。

图4 液压缸自身重力变形分析云图

图5 液压缸自身重力应力分析云图

2.4.2 液压缸施力稳定性分析

液压缸在后坐过程中，为了保证对火炮检测的安全性与准确性，需对其施力时自身的平稳性进行分析。施力推杆在施力过程中，受力最不利的情况为火炮反后坐力与施力推杆夹角为0.6°（火炮晃动10mil）时，施力推杆和液压活塞整体全部伸出后，即伸出3400mm的状态下，在受到与推杆轴线成0.6°夹角的200KN力的作用下的情况。图6即为该情况下液压缸的变形图，图7为液压缸的应力分布图。由图6可知端部最大变形为8.02mm，由图7可以看出杆上最大应力为405.308MPa。

3 结论

1）本文液压缸缸体的材质为45号钢，其强度为（σs/MPa）：≥600，屈服点为（σs/MPa）：≥355，由图6可以看出，缸体并未发生明显变形，缸体的最大应力值为45MPa。由此看出，最大应力值远远小于其屈服极限，所以强度条件满足，缸体在工作过程中安全可靠。

2）由于本液压缸中采用40Cr作为活塞杆和施力推杆材料，经热处理后，其强度（σs/MPa）：≥980，屈服点（σs/MPa）：≥785，而杆上最大的应力为405.308MPa，因此施力推杆变形为弹性变形，作用力撤销后可自行恢复。

综上所述，该液压缸的设计合乎要求，证实了方案的可行性。

【参考文献】

[1]李晓东.工程机械液压缸有限元分析研究[D].吉林大学，2012.

[2]牛玉艳.基于ANSYS的液压缸有限元分析[D].西南交通大学，2012.

[3]刘子阳.实体建模与模型简化技术研究[D].西安电子科技大学，2011.

[责任编辑：陈双芹]