基于ANSYS Workbench 的液压缸多工况强度校核

张晓东，张新中

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

在某大型船用升降设备中采用了液压缸滑轮组型式的液压机驱动，钢丝绳一端固定，经过动滑轮组、转向滑轮组改变走向后，另外一端连接于负载，当液压缸的活塞杆伸出推动动滑轮组时，通过钢丝绳组件拉动负载向上运行。当负载下降时，借助负载自重使主油缸活塞杆收回，液压机工作原理见图1。

图1 液压机工作原理

其中，液压缸是主要部件，为了满足防腐要求而活塞杆采用表面喷涂黑陶瓷的工艺，要求活塞杆弯曲强度不得超过300 MPa的极限值，在带动负载升降过程中，承受的载荷大且变化多，其强度校核分析对于整个液压机的可靠运行具有重要意义。ANSYS Workbench仿真软件能对复杂机械系统的结构静力学[1]、结构动力学[2]、刚体动力学、流体动力学、结构热[3]、电磁场以及耦合场[4]进行分析模拟。本文借助三维软件和Workbench软件对重载液压缸的多工况的应力状态进行仿真，并进行了校核分析，并对后续详细设计提供数据支撑。

1 模型导入和约束设定

设定液压缸的材料为Q345D结构钢，密度为7.8×103kg/m3，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3。将三维装配体生成.x_t文件后导入Workbench，液压机仿真几何模型见图2。

图2 液压机仿真几何模型

三维模型由活塞杆装配体、液压缸装配体、前后2个缸盖、1个缸头、动滑轮和槽型导轨组成。导入后采用所有零件为bonded接触，修改导轨与动滑轮8个导向滚轮为No separation接触，同时槽型导轨只跟加强板、孔加强台和导向滚轮3类零件有接触，删除导轨跟其他零件的接触。根据液压机工作原理，负载升降过程中，液压缸内圆柱面只有无杆腔施加压强载荷，故使用slice将液压缸内圆柱面分割为2部分，便于在无杆腔段施加压强载荷，液压缸分割后的模型见图3。

图3 液压缸分割后的模型

设定mesh中选项relevant center为coarse，进行几何模型网格划分，共划分节点601 384个，划分单元308 360个，液压缸划分网格后模型见图4。

图4 液压机划分网格后模型

2 施加载荷和约束

本液压机共有3处施加了载荷或约束，分别为液压缸无杆腔压强载荷、活塞杆轴载荷和液压缸底脚约束、槽型导轨约束。

1）液压缸活塞杆无杆腔端面、无杆腔内圆柱面和后端盖内表面承受1.85×107Pa压强。

2）液压缸前后底脚的4个安装面设为固定约束，将槽型导轨的4个孔加强台面设定为固定约束。

3）液压缸活塞杆杆端施加载荷分为5种情况，即在活塞杆中心施加90 t（1 t=9 800 N）力，上偏心、下偏心2 00 mm分别施加90 t力，上偏心、下偏心340 mm分别施加90 t力，通过remote force施加偏心载荷。

以上偏心340 mm施加90 t力时为例，连同液压缸无杆腔压强载荷和液压缸底脚约束、槽型导轨约束，液压机载荷和约束见图5。

图5 上偏心340 mm 时，液压机施加载荷和约束

求解后即可输出液压机的应力云图，并可单独得到液压缸活塞杆、活塞、缸体和底脚的应力和应变。

3 仿真结果和分析

仍以上偏心340 mm施加90 t力时为例，液压机应力云图见图6。

图6 上偏心340 mm 时液压机应力云图

杆端按活塞杆中心、上偏心200 mm、下偏心200 mm、上偏心340 mm和下偏心340 mm 5种工况分别施加90 t力，液压机、槽型导轨、动滑轮、液压缸、活塞杆、活塞和底脚的最大应力见表1。

从表1中可以看出，在上偏心340 mm和下偏心340 mm时，液压机有零件应力超过材料Q345D的屈服极限358 MPa，但所列出的主要部件均远低于材料屈服极限358 MPa。上偏心340 mm和下偏心340 mm时，应力最大的部件都是导向滚轮的一个轴承内圈，将该轴承内圈suppress后，应力最大的部件为滚柱（367 MPa）和滚轮（366 MPa）。槽型导轨、动滑轮、液压缸、活塞杆、活塞和底脚等6个主要零部件应力都满足要求，安全系数基本在2倍以上。

表1 5 种工况最大应力比较（单位：MPa）

5种工况载荷下液压缸各部件的最大应力均低于Q345D材料屈服极限358 MPa，满足强度要求；5种工况载荷下活塞杆最大应力为下偏心340 mm时的233 MPa，满足液压缸活塞杆弯曲强度超过极限300 MPa会导致表面陶瓷涂层脱落的要求。

4 结论

通过对由液压缸、动滑轮和槽型导轨组成的液压机采用ANSYS Workbench进行有限元仿真分析，可以看出在上偏心340 mm和下偏心340 mm的最恶劣工况下，液压机中一些小部件应力（导向滚轮轴承内圈、滚柱和滚轮）出现超出强度极限的状况，超出了Q345D材料屈服极限358 MPa，最高达到了457.94 MPa，可为后续详细设计提供指导。