基于ANSYS Workbench 的液壓缸多工況強度校核

張曉東，張新中

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

在某大型船用升降設備中采用了液壓缸滑輪組型式的液壓機驅動，鋼絲繩一端固定，經過動滑輪組、轉向滑輪組改變走向后，另外一端連接于負載，當液壓缸的活塞桿伸出推動動滑輪組時，通過鋼絲繩組件拉動負載向上運行。當負載下降時，借助負載自重使主油缸活塞桿收回，液壓機工作原理見圖1。

圖1 液壓機工作原理

其中，液壓缸是主要部件，為了滿足防腐要求而活塞桿采用表面噴涂黑陶瓷的工藝，要求活塞桿彎曲強度不得超過300 MPa的極限值，在帶動負載升降過程中，承受的載荷大且變化多，其強度校核分析對于整個液壓機的可靠運行具有重要意義。ANSYS Workbench仿真軟件能對復雜機械系統的結構靜力學[1]、結構動力學[2]、剛體動力學、流體動力學、結構熱[3]、電磁場以及耦合場[4]進行分析模擬。本文借助三維軟件和Workbench軟件對重載液壓缸的多工況的應力狀態進行仿真，并進行了校核分析，并對后續詳細設計提供數據支撐。

1 模型導入和約束設定

設定液壓缸的材料為Q345D結構鋼，密度為7.8×103kg/m3，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3。將三維裝配體生成.x_t文件后導入Workbench，液壓機仿真幾何模型見圖2。

圖2 液壓機仿真幾何模型

三維模型由活塞桿裝配體、液壓缸裝配體、前后2個缸蓋、1個缸頭、動滑輪和槽型導軌組成。導入后采用所有零件為bonded接觸，修改導軌與動滑輪8個導向滾輪為No separation接觸，同時槽型導軌只跟加強板、孔加強臺和導向滾輪3類零件有接觸，刪除導軌跟其他零件的接觸。根據液壓機工作原理，負載升降過程中，液壓缸內圓柱面只有無桿腔施加壓強載荷，故使用slice將液壓缸內圓柱面分割為2部分，便于在無桿腔段施加壓強載荷，液壓缸分割后的模型見圖3。

圖3 液壓缸分割后的模型

設定mesh中選項relevant center為coarse，進行幾何模型網格劃分，共劃分節點601 384個，劃分單元308 360個，液壓缸劃分網格后模型見圖4。

圖4 液壓機劃分網格后模型

2 施加載荷和約束

本液壓機共有3處施加了載荷或約束，分別為液壓缸無桿腔壓強載荷、活塞桿軸載荷和液壓缸底腳約束、槽型導軌約束。

1）液壓缸活塞桿無桿腔端面、無桿腔內圓柱面和后端蓋內表面承受1.85×107Pa壓強。

2）液壓缸前后底腳的4個安裝面設為固定約束，將槽型導軌的4個孔加強臺面設定為固定約束。

3）液壓缸活塞桿桿端施加載荷分為5種情況，即在活塞桿中心施加90 t（1 t=9 800 N）力，上偏心、下偏心2 00 mm分別施加90 t力，上偏心、下偏心340 mm分別施加90 t力，通過remote force施加偏心載荷。

以上偏心340 mm施加90 t力時為例，連同液壓缸無桿腔壓強載荷和液壓缸底腳約束、槽型導軌約束，液壓機載荷和約束見圖5。

圖5 上偏心340 mm 時，液壓機施加載荷和約束

求解后即可輸出液壓機的應力云圖，并可單獨得到液壓缸活塞桿、活塞、缸體和底腳的應力和應變。

3 仿真結果和分析

仍以上偏心340 mm施加90 t力時為例，液壓機應力云圖見圖6。

圖6 上偏心340 mm 時液壓機應力云圖

桿端按活塞桿中心、上偏心200 mm、下偏心200 mm、上偏心340 mm和下偏心340 mm 5種工況分別施加90 t力，液壓機、槽型導軌、動滑輪、液壓缸、活塞桿、活塞和底腳的最大應力見表1。

從表1中可以看出，在上偏心340 mm和下偏心340 mm時，液壓機有零件應力超過材料Q345D的屈服極限358 MPa，但所列出的主要部件均遠低于材料屈服極限358 MPa。上偏心340 mm和下偏心340 mm時，應力最大的部件都是導向滾輪的一個軸承內圈，將該軸承內圈suppress后，應力最大的部件為滾柱（367 MPa）和滾輪（366 MPa）。槽型導軌、動滑輪、液壓缸、活塞桿、活塞和底腳等6個主要零部件應力都滿足要求，安全系數基本在2倍以上。

表1 5 種工況最大應力比較（單位：MPa）

5種工況載荷下液壓缸各部件的最大應力均低于Q345D材料屈服極限358 MPa，滿足強度要求；5種工況載荷下活塞桿最大應力為下偏心340 mm時的233 MPa，滿足液壓缸活塞桿彎曲強度超過極限300 MPa會導致表面陶瓷涂層脫落的要求。

4 結論

通過對由液壓缸、動滑輪和槽型導軌組成的液壓機采用ANSYS Workbench進行有限元仿真分析，可以看出在上偏心340 mm和下偏心340 mm的最惡劣工況下，液壓機中一些小部件應力（導向滾輪軸承內圈、滾柱和滾輪）出現超出強度極限的狀況，超出了Q345D材料屈服極限358 MPa，最高達到了457.94 MPa，可為后續詳細設計提供指導。