基于ANSYS的大型柱塞缸缸體的優(yōu)化設計*

郝立紅

(蘭州交通大學博文學院機電工程系，甘肅蘭州 730101)

基于ANSYS的大型柱塞缸缸體的優(yōu)化設計*

郝立紅

(蘭州交通大學博文學院機電工程系，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，采用有限元分析軟件ANSYS對液壓機的柱塞油缸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，得到詳細的應力、應變分布圖以及應力集中和最大變形位置，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設計方案，并進一步采用ANSYS軟件對優(yōu)化前后的液壓缸進行了有限元分析，以驗證優(yōu)化方案的正確性。

快鍛液壓機;大型柱塞油缸;優(yōu)化設計;有限元;應力分析

1 引言

液壓缸是液壓機中重要的零部件之一，隨著液壓機的大功率化和高速化，快鍛液壓機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的主液壓缸的其中一種，也是目前應用非常廣泛的快鍛液壓機的主液壓缸，其強度、剛度和穩(wěn)定性對液壓機系統(tǒng)的安全起著決定性作用。

針對快速鍛造壓力機大型柱塞油缸進行分析、設計與研究，利用ANSYS workbench的仿真、優(yōu)化功能，對快鍛液壓機的柱塞油缸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，對提高使用壽命，增加經(jīng)濟效益具有重要意義［1］。

2 大型柱塞缸缸體實體模型的建立

快鍛液壓機的柱塞油缸結(jié)構(gòu)復雜，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，簡化時，只考慮實際工況時對缸體起主要作用的結(jié)構(gòu)因素，忽略對整體特性影響很小的局部結(jié)構(gòu)因素，在Solidworks中對柱塞缸缸體進行實體建模，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］

快鍛液壓機的柱塞缸的結(jié)構(gòu)和所受載荷是對稱的，為簡化計算過程，取1/2的實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分時，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 缸體的實體模型

3.2 單元的選擇

快鍛液壓機的柱塞油缸這類較復雜的結(jié)構(gòu)用三維實體單元描述它的結(jié)構(gòu)，以便能反應真實工況，利用ANSYS對實體模型進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)點四面體的SOLID92，共有245 020個單元，372 702個節(jié)點。有限元模型如圖4所示。

3.4 施加邊界條件并加載

加載時，模型受到的載荷有內(nèi)壓以及重力和支撐力?？紤]到重力相對內(nèi)壓的影響而言數(shù)量較小，可以忽略。因此，只對內(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

利用求解處理器對模型求解，獲得汽缸體的變形圖和應力云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 氣缸體變形圖

圖7 氣缸體應力云圖

3.5.2 應力結(jié)果分析

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

4 結(jié) 論

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

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

(3)通過對氣缸壁進行強度校核表明，當采用20MnMoB材料，安全系數(shù)取2.5時，氣缸體的最大應力值遠遠小于許用應力，表明殼體的承壓空間足夠。

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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)代機械設計方法及理論的研究。