伸缩式液压油缸静应力与稳定性分析

□ 庄 攀 □ 李勇键

1.常德达门船舶有限公司 湖南常德 415000 2.湖南特力液压有限公司 湖南常德 415000

随着液压技术的高速发展,液压机械广泛应用于生产、生活各个领域。液压油缸具有结构简单、工作可靠、低速稳定性好等优点,是关键的液压传动执行元件[1-4]。在工作过程中，缸筒受内外压力作用时的强度、刚度,以及活塞杆达到较大行程时的弯曲变形与临界力大小都是液压油缸的重要设计参数。笔者基于有限元方法对液压油缸进行静力学和稳定性分析。

1 研究对象

选取船舶起重机中的伸缩式液压油缸为研究对象。该油缸具备工作行程长、非工作状态回缩距离较短等特点,适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合。活塞杆伸出时，工作压力随行程增大而减小,缸筒运动时受到内部工作液压油和外部载荷的综合作用。伸缩式液压油缸的结构如图1所示。

2 材料性能

当液压油缸处于全伸出状态时,缸筒底部强度、刚度,以及活塞杆的稳定性必须作为重要参数进行校核,同时要对应用材料的安全因数进行全面验证，以保证液压油缸设计的安全性和可靠性。为确保计算的合理性和准确性,参考技术规范和标准选取各部件的材料。缸筒材质采用调质态27SiMn,活塞杆材质采用正火态45号钢。材料的力学性能参数见表1。

表1 材料力学性能

3 有限元分析

3.1 分析步骤

为确保ANSYS Workbench软件有限元分析的合理性,按以下步骤进行操作。首先进入ANSYS DM模块创建有限元几何模型,根据模型建立局部坐标。然后进入ANSYS Workbench软件材料栏，对液压油缸各部分材料属性进行定义。接着进入分析界面，对模型进行网格划分,并根据实际工况,施加内外载荷与边界条件约束。最后根据所需分析目标,进行计算求解及结果后处理。

3.2 有限元几何建模

选取液压油缸活塞杆全伸出时的状态进行分析。在ANSYS DM模块创建有限元几何模型时,为了缩短计算时间,去除密封圈沟槽、凸台、倒角等可以忽略的几何特征,并假定不存在焊接缺陷,同时视各部分材料为向同性、匀质的理想弹塑性材料。

3.3 材料参数设置及网格划分

根据材料的力学性能参数,在ANSYS Workbench软件的材料清单中对重要部件——缸筒、活塞杆的材料参数进行设置。运用ANSYS Workbench软件的网格划分功能对模型进行网格划分，选取Solide186二阶四边形单元,划分速度选取慢速,网格大小设置为5 mm。对截面过渡位置进行局部网格细化,确保重要位置的应力区域至少覆盖两层以上网格。液压油缸有限元模型网格划分后，共得到125 455个单元、18 954个节点。

3.4 边界条件设置及载荷施加

考虑到活塞杆的密封作用,液压油缸缸筒与活塞杆之间设置为摩擦连接,摩擦因数取0.1。由于液压油缸两端支耳与机械臂为销轴铰接,因此在液压油缸模型的支耳两端A、B处,对轴向旋转的自由度进行释放，约束其余方向的自由度,从而创建液压油缸两端支耳的边界约束。当液压油缸的活塞杆达到行程极限位置时,采用面压力对液压缸缸筒无杆腔C处施加1.5倍工作压力,即31.5 MPa。液压油缸有限元模型载荷及约束如图2所示。

3.5 极限工况强度、刚度校核

伸缩式液压油缸工作时,缸筒内部受到液压油的工作压力，两端支耳的连接位置受到机械作用力，受力情况比较复杂。为保证液压油缸产品质量，需要选取合理的安全因数，因为安全因数对液压油缸的强度和变形有较大影响。在部件强度、刚度和稳定性三要素中,液压油缸的结构强度直接影响液压油缸的可靠性与整体性能,是确保液压油缸获得与主机相同生命周期的关键[5-6]。

对液压油缸施加1.5倍工作压力，在全伸出状态下进行极限工况强度、刚度校核，得到等效应力云图、变形云图，分别如图3、图4所示。

由图3可知，液压油缸最大等效应力位于活塞杆上端部,其值约为99 MPa,小于活塞杆材料的许用应力。由图4可知,液压油缸最大变形位于活塞杆与一级活塞连接端，其值为18.195 mm。通过以上极限工况强度、刚度校核,证明液压油缸的整体强度和刚度均满足设计要求。

3.6 稳定性分析

伸缩式液压油缸内壁承受压力作用,活塞杆伸出时,油缸整体可视作细长杆[7-8]。活塞与缸筒、活塞杆与套环间存在间隙,当活塞杆全部伸出后，必然会有微小弯曲变形,因此,伸缩式液压油缸模型本质为细长变截面且具有初始弯曲,同时承受内部压力的压杆，具有纵向弯曲的特点[9-11]。

目前,ANSYS Workbench软件中由于线性屈曲分析应用材料力学压杆稳定性原理,其预测值为临界载荷上限值,工程中应用此值则偏于危险。

因此,笔者采用考虑结构综合缺陷的非线性屈曲分析,这样对液压油缸全伸出状态进行稳定性分析更具参考意义。

非线性屈曲分析后得到液压油缸总变形云图，如图5所示，变形量随载荷的变化趋势如图6所示。

由图6可知,当液压油缸所受载荷达到临界载荷值时,活塞杆产生非塑性弯曲的趋势,进而发生失效。当液压油缸所受载荷大于临界载荷值后,载荷随变形量的增大而减小。综合图5、图6可知,临界载荷值对应的变形量位于活塞杆与一级活塞连接处,与图4中最大变形量的位置相吻合,此处临界应力达到材料屈服极限。根据相关公式可得,液压油缸的工作载荷值为705 kN,液压油缸处于全伸出状态时的稳定因数为2.16(1 520 kN÷705 kN),大于钢结构弹性塑性失稳安全因数(2.0),说明伸缩式液压油缸及活塞杆的稳定性符合设计要求。

4 结束语

笔者将船舶起重机的伸缩式液压油缸作为研究对象,应用ANSYS Workbench软件对液压油缸进行全伸出状态时的静应力校核与稳定性分析。在试验压力作用下,缸筒和活塞杆的最大等效应力均小于材料的许用应力。液压油缸在工作压力作用下,其稳定性安全因数大于钢结构弹性塑性失稳安全因数,说明液压油缸的关键设计参数符合要求。笔者采用有限元思路进行研究分析，为船舶机械重要部件的设计校核提供了技术参考。