郝立紅

(蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅蘭州 730101)

基于ANSYS的大型柱塞缸缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

郝立紅

(蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院機(jī)電工程系，甘肅蘭州 730101)

以減輕液壓缸重量和延長使用壽命為優(yōu)化目標(biāo)，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)液壓機(jī)的柱塞油缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到詳細(xì)的應(yīng)力、應(yīng)變分布圖以及應(yīng)力集中和最大變形位置，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)一步采用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化前后的液壓缸進(jìn)行了有限元分析，以驗(yàn)證優(yōu)化方案的正確性。

快鍛液壓機(jī);大型柱塞油缸;優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元;應(yīng)力分析

1 引言

液壓缸是液壓機(jī)中重要的零部件之一，隨著液壓機(jī)的大功率化和高速化，快鍛液壓機(jī)的使用在我國越來越廣泛。大型柱塞式液壓缸是快鍛液壓機(jī)的主液壓缸的其中一種，也是目前應(yīng)用非常廣泛的快鍛液壓機(jī)的主液壓缸，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性對(duì)液壓機(jī)系統(tǒng)的安全起著決定性作用。

針對(duì)快速鍛造壓力機(jī)大型柱塞油缸進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與研究，利用ANSYS workbench的仿真、優(yōu)化功能，對(duì)快鍛液壓機(jī)的柱塞油缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高使用壽命，增加經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義［1］。

2 大型柱塞缸缸體實(shí)體模型的建立

快鍛液壓機(jī)的柱塞油缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布有缸筒和缸蓋、柱塞和柱塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置，簡(jiǎn)化時(shí)，只考慮實(shí)際工況時(shí)對(duì)缸體起主要作用的結(jié)構(gòu)因素，忽略對(duì)整體特性影響很小的局部結(jié)構(gòu)因素，在Solidworks中對(duì)柱塞缸缸體進(jìn)行實(shí)體建模，模型如圖1所示。

3 大型柱塞缸缸體有限元網(wǎng)格劃分［2-9］

快鍛液壓機(jī)的柱塞缸的結(jié)構(gòu)和所受載荷是對(duì)稱的，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，取1/2的實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，首先要做結(jié)構(gòu)分析，確定單元類型。

3.1 材料選取

快鍛液壓機(jī)的柱塞油缸材料為35MnMoB，其材料:密度為7 900 kg/m3，彈性模量為2.12×1 011 N/m2，泊松比為0.27。

圖1 缸體的實(shí)體模型

3.2 單元的選擇

快鍛液壓機(jī)的柱塞油缸這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)用三維實(shí)體單元描述它的結(jié)構(gòu)，以便能反應(yīng)真實(shí)工況，利用ANSYS對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行三維建模得到缸體的有限元模型如圖2、3所示。

圖2 氣缸體的ANSYS模型

圖3 氣缸體ANSYS實(shí)體模型

3.3 網(wǎng)格劃分

柱塞油缸缸體采用了自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用10節(jié)點(diǎn)四面體的SOLID92，共有245 020個(gè)單元，372 702個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖4所示。

3.4 施加邊界條件并加載

加載時(shí)，模型受到的載荷有內(nèi)壓以及重力和支撐力?？紤]到重力相對(duì)內(nèi)壓的影響而言數(shù)量較小，可以忽略。因此，只對(duì)內(nèi)壁施加面載荷P=31.5 MPa，如圖5所示。

圖4 氣缸體網(wǎng)格劃分

圖5 氣缸體邊界條件和加載

3.5 有限元分析結(jié)果

3.5.1 求 解

利用求解處理器對(duì)模型求解，獲得汽缸體的變形圖和應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 氣缸體變形圖

圖7 氣缸體應(yīng)力云圖

3.5.2 應(yīng)力結(jié)果分析

圖7中反映了氣缸壁受內(nèi)壓作用后結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力情況，應(yīng)力大小分別采用不同顏色表示，其中最右邊區(qū)域表示應(yīng)力值最大，最左邊區(qū)域表示應(yīng)力值最小，從圖7中可看出應(yīng)力最大處為265.119 MPa。

4 結(jié) 論

(1)由于內(nèi)壓作用，氣缸壁向外膨脹，模型為軸對(duì)稱圖形，所受的內(nèi)壓是均勻的，膨脹也是均勻的，與預(yù)期相符。

(2)氣缸壁沿軸線方向應(yīng)力分布是不均勻的，應(yīng)力最大出現(xiàn)在氣缸體與進(jìn)氣管的接縫處。這是由于進(jìn)氣管處的模型尺寸發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以仿真結(jié)果是合理的。

(3)通過對(duì)氣缸壁進(jìn)行強(qiáng)度校核表明，當(dāng)采用20MnMoB材料，安全系數(shù)取2.5時(shí)，氣缸體的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，表明殼體的承壓空間足夠。

［1］ 韓松濤，郝志勇.4108Q型柴油機(jī)連桿的模態(tài)特性有限元分析［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2000(4):37－40.

［2］ 劉 箱，王心豐.基于ANSYS的撓性疊片聯(lián)軸器的軸向不對(duì)中分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2003，16(3):39－40.

［3］ 王增山，虞偉建，王開福.基于ANSYS的機(jī)翼接頭強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(7):47－49.

［4］ 關(guān)振群，宋 超.有限元網(wǎng)格生成方法研究的新進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15(1):1－14.

［5］ 王慶霞，代素梅，李蓓智.偽液相靜壓夾具及其關(guān)鍵件的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(12):238－240.

［6］ 葉國林，曾建謀，杜寶雷.柴油機(jī)連桿有限元分析［J］.內(nèi)燃機(jī)，2008，2(1):11－14.

［7］ 鐘佩思，趙丹，孫雪顏，等.基于ANSYS的汽車車架的建模與模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(6):52－53.

［8］ 陳舉華.機(jī)械零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［9］ 秦傳江，楊 震.EQ6105DTAA柴油機(jī)連桿的有限元分析［J］.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，27(1):114－117.

Optimum Design of Cylinder of Large Piston Cylinder Based on ANSYS

HAO Li－h(huán)ong
(Department of Mechanical＆Electronic Engineering，Lanzhou Jiaotong University Bowen College，Lanzhou Gansu 730101，China)

Reducing the weight and extending the life of hydraulic cylinder are taken as the optimizing objective，software ANSYS is explored to optimize the stuffed oil cylinder structure of hydraulic machine.The stress，strain distribution，stress concentrated and maximum deformation location are obtained.Based on the results，the design programmer is optimized.

quick forging hydraulic press;large plunger cylinder;optimization design;finite element;stress analysis

TS201.55

A

1007－4414(2013)05－0118－02

2013－09－05

郝立紅(1980－)，女，甘肅蘭州人，講師，在讀碩士，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及理論的研究。