多級壓縮桿非等截面線性屈曲分析研究

摘 要：為防止多級液壓缸在受壓工作中出現失穩破壞，基于工程作業安全的重要性，建立多級液壓缸有限元壓縮桿簡化模型，并通過有限元分析軟件ABAQUS從非等截面對壓桿模型進行線性屈曲分析。

關鍵詞：壓縮桿;非等截面;屈曲分析

0 引 言

大型起豎設備中，液壓缸起到將液壓能轉化為機械能的作用，因此是重要的執行元件。在起豎過程中，液壓缸作為支撐部件，將負載從水平位置起升至一定角度的過程里，始終會受到負載的軸向壓力。實際工程中多級液壓缸完全伸出時，其在距離長、受壓大且在軸向力作用下易出現彎曲或失穩，從而出現重大的工程安全問題，因此其穩定性的研究具有重要的工程實際意義。

1 液壓缸有限元模型的建立

1.1 研究對象分析

為確定多級液壓缸最大臨界載荷的范圍，防止液壓缸結構失穩，引起工程安全事故。本文以對四級液壓缸的實際測量值為參照對液壓缸進行參數化建模。由于四級液壓缸缸體完全伸出時實際長度達到數米，同時在軸向上要承受負載施加的大軸向力，基于此工況下，可將液壓桿穩定性模型簡化為壓桿模型。由于要確定液壓缸臨界載荷的下界，考慮到四級液壓缸的一級缸是實體活塞桿，而其余三級缸的缸體為空心圓筒，又因為空心筒相比于實體活塞桿剛度小，承受載荷小的特點，所以液壓缸失穩現象更容易存在空心筒上。因此為得到臨界載荷的保守值，可將液壓缸的一級缸進行簡化，從而將液壓缸整體采用空腔模型的建模方式。所以在分析過程中將四級液壓缸簡化為三級空腔缸，其中將一級缸與二級缸體固為一體，此時的長度依舊取為液壓缸的整體長度。

1.2 有限元模型的建立

考慮到液壓缸在起豎過程中伸出行為緩慢，而且過程中一直承受沿著軸線方向上的軸向力，因此壓桿的邊界條件設置為底端采用固定約束，頂端施加軸向載荷，其載荷根據液壓缸工作阻力大小而依據實際加載。根據對實際液壓缸長度測量，設定各級液壓缸長度為1.5m，從而通過改變液壓缸截面半徑來研究臨界載荷的大小。其中，定義的液壓缸的材料屬性為彈性模量為E=210GPa，泊松比μ=0.3，屈服應力σ=355Mpa。有限元的單元模型采用B32梁單元，其屬性為三結點二次空間梁單元。

2 非等截面線性屈曲分析

在有限元線性屈曲分析中，臨界載荷的結果是以屈曲特征值呈現的，其大小是實際施加載荷與特征值乘積的最終結果。而每個特征值所對應的模型形變的狀態為屈曲模態，更為直觀的看出模型在該臨界載荷下的變形狀態，從而確定發生變形的位置，有效避免事故的發生。

為了貼近實際，采用非等截面屈曲分析，這樣能有效將臨界載荷范圍縮小。非等截面缸體模型將缸體總長度等分為三份作為一、二、三級缸的長度。變截面桿的屈曲模態如下：

從屈曲模態可看出在前四階模態中，前兩階特征值相同但變形狀態不同，其中，在施加載荷位置處的變形最大;后兩階特征值相同但變形狀態不同，其中變形最大位置已經處在一級缸的中間位置，也就是隨著特征值增大變形最大位置逐步由施加載荷位置處向缸體中間挪動，針對實際工程中需要著重對液壓缸承受載荷部位進行校核、實驗和保護。

3 結 論

本文采用有限元方法從非等截面線性屈曲的角度對液壓缸模型進行了分析，為工程實際應用與運用提供了參考。

參考文獻

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