基于ANSYS的液压缸安装支架有限元分析

来源 :科学时代·下半月 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuzhoucumt
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  【摘 要】以液压缸安装支架为研究对象,采用Solidworks软件对机械结构进行三维实体建模;使用ANSYS软件,对安装支架机械结构进行有限元分析,并根据计算结果,为其强度校核及结构优化设计提供了理论依据。
  【关键词】液压缸;有限元分析;安装支架;箱体结构
  [Abstract] To the aim of the hydraulic cylinder mounting bracket, Mechanical structure of 3 d entity model was set up by Solidworks software; The installing support mechanical structure finite element analysis using ANSYS software, and according to the calculation results, providing the theoretical basis for the intensity and the structure optimization design.
  [Keyword] Hydraulic cylinder;finite-elemeat analysis;installing support;box structure
  1.引言
  自主研发的大型液压缸试验平台,液压缸的安装支架采用了箱体结构,用45钢钢板焊接而成。为了保证液压缸安装的可靠性,在确定液压缸试验工作平台总体设计方案的基础上,使用Solidworks软件对液压缸的安装支架进行三维实体建模,利用ANSYS软件对箱体结构进行有限元分析,校核安装支架的强度和刚度,以验证液压缸安装支架在最大载荷作用下的应力分布和结构变形,提高机械结构设计的合理性、可靠性和科学性。
  2.安装支架的静力学分析方法
  本液压缸试验平台的总体布置方案如图1所示,支架上安装三个液压缸,两侧液压缸为加载缸,要求每缸能形成100吨的推力,中间液压缸为主缸,要求能形成200吨的拉力。液压缸支架和顶杆端的箱架都是由45钢钢板焊接而成。
  根据使用要求,液压缸安装支架主要承受静载荷的作用,可用有限元法求解弹性力学空间问题的方法分析。采用这种方法时,可把连续的空间弹性体变换为一个离散的空间结构物。作为这个结构物的单元可采用多种单元形式,为了便于网格的划分,我们采用四面体单元,如图2所示。这些四面体单元只在顶点处以空间铰互相连接,成为空间铰接节点。在节点位移分量可以不计之处,就在节点上安置一个铰座或相应的链杆支座,单元所受的载荷按静力等效的原则移置到节点上。
  采用的计算方法是结构力学中位移法,取为基本未知量的是节点的位移,,,,,,…。
  为了在求出节点位移后能够求得应力,必须对每一个单元,建立单元应力与节点位移之间的关系式,即
  (1.1)
  式中
  —应力分量,,,,,等6个元素构成的列阵;
  —节点位移,,,,,,…,等12个元素构成的列阵;
  —单元的应力矩阵(6×12的矩阵)。
  为了建立求解节点位移时所需用的节点平衡方程,还必须事先建立节点力与节点位移之间的关系式,即有限元基本方程
  (1.2)
  其中
  —节点力,,,,,,…,等12个元素构成的列阵;
  —单元的刚度矩阵(12×12的矩阵)。
  在每一个典型的节点,例如在节点i,可以建立三个平衡方程
  ,,
  或用矩阵表示成为
  (1.3)
  其中
  平衡方程左边的表示对那些环绕节点的所有单元求和,方程的右边代表节点载荷。通过关系式(1.2),方程左边的节点力可以用节点位移表示。这样的方程恰好可以联立求解,得出基本未知量(即节点位移),从而用公式(1.1)求得该单元的应力。
  图1 试验平台的总体布置方案简图
  1-中间联接铰;2-加载液压缸;3-顶杆联接铰;
  4-箱架;5-导杆;6-主液压缸;7-箱结构;8-箱架
  图2 四面体实体单元
  3.液压缸安装支架的有限元分析模型
  根据二维CAD图2,建立了如图3所示的液压缸安装支架三维实体模型,主要包括包括支撑三个液压缸的钢结构、液压缸顶杆和顶杆端的箱架。
  图3 支架实体模型
  采用20节点solid187单元对安装支架进行网格划分,其中节点数为206922,单元数为107794,支架静力有限元网格如图4 所示。支架的材料为45钢,其弹性模量为2.06×1011 Pa,泊松比为0.3。
  图4 支架有限元网格
  边界条件如图5所示,即:(1) 由于该模型在结构与所受载荷方面均关于YZ平面对称,故在图示A位置施加对称边界,以减小计算模型规模;(2) 在B、C所示位置分别施加100吨的推力以及中间缸产生一个200吨的回拉力;(3) 在顶杆与箱结构间建立接触以模拟螺栓联结。
  图5 边界条件
  4.分析结果
  支架综合位移云图、X向、Y向、Z向位移图如图6所示。由图可知,综合位移最大值为1.66 mm,出现在承受100吨推力的箱结构上;X向位移最大值为0.44 mm;Y向位移最大值为-1.66 mm;Z向位移最大值为0.13 mm。
  (a) 综合位移
  (b) X向位移
  (c) Y向位移
  (d) Z向位移
  图6 支架的位移云图
  箱结构与箱架的等效应力云图如图7所示。由图可知,箱结构等效应力最大值为289.5 MPa;箱架的等效应力最大值为22.1 MPa。
  (a) 箱结构
  (b) 箱架
  图7 等效应力云图
  综上所述,针对液压缸安装支架进行静力学特性分析,其力学特性如表1所示。
  表1 输入推力为100吨时静力学分析结果
  支架综合位移 (mm) 箱结构等效应力 (MPa) 箱架等效应力(MPa)
  1.66 289.5 22.1
  由分析结果可知,支架等效应力最大值为289.5 MPa,小于45钢的屈服极限,故满足设计要求。
  参考文献:
  [1]有限元ANSYS Workbench 结构分析.北京:北京盛博国科企业管理顾问有限公司,2009年
  [2]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程.北京:清华大学出版社,2007年
  [3]曾攀.有限元分析及应用.北京:清华大学出版社,2004年
  作者简介:
  袁晓东:(1969—),男,四川人,硕士,副教授,主要从事机电技术应用的教学和科研工作。
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