基于ANSYS的液压缸的有限元分析及优化

　　0引言

　　液压缸作为将液压能转换为机械能的执行元件已广泛应用于各工程领域。 尤其是液压机行业。液压缸的强度、刚度以及稳定性对液压机的性能和使用寿命起着决定性作用。 由于液压缸结构设计不合理，在工程上很容易出现液压缸爆裂、断裂、扭曲以及其他失效方式，会造成严重损失。或者，盲目地加大液压缸的壁厚、底厚等，这不仅使液压缸体积增大，还加大了液压缸的铸造及安装难度。 随着液压缸结构及受力情况复杂，并且由于液压缸的安装固定方式不同，采用人工校核费时费力，容易出错。

　　Pro/E 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 它能与多数CAD 软件接口， 实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE 工具之一。本文以多层压机400T 柱塞液压缸为例，把Pro/E和ANSYS 有机结合起来对其进行有限元分析及优化。

　　1基本结构

　　液压缸按其结构形式可分为活塞缸、 柱塞缸。柱塞与缸体不接触，因此缸体内壁不需精加工。 柱塞是端部受压，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，柱塞一般较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸宜垂直安装。本文400 T 液压缸采用是柱塞缸(见图1)。 其回程靠推力柱塞自重及其顶部的零部件重力。

　　2技术参数

　　柱塞直径/mm 450

　　液压系统工作压力/MPa 21

　　3液压缸有限元分析

　　本文多层液压机的400 T 主油缸是整套设备的关键。 对其各方面的性能及结构要求比较高。 既要使其满足使用要求，又要降低设备重量、节约成本。

　　(1)缸体建模及导入

　　利用Pro/E 建立缸体三维模型， 通过专门ANSYS的Pro/E 接口导入ANSYS 中。 不用通过输出 iges 或其他中间格式的文件再导入ANSYS 中。 建立完接口后，ANSYS 按钮直接显示在 Pro/E 工具栏中。 考虑到缸体结构的一些圆倒角、凸台等在 ANSYS 中影响网格的的划分及划分质量。有时还需要大量的布尔操作来修整模型。 所以在Pro/E 建模时忽略了一些对缸体结构分析基本没有影响的结构。 本缸体为轴对称实体，建立 ANSYS 的 Pro/E 的接口及导入的模型如图2 所示。

　　(2)划分网格及施加载荷

　　缸体材料选用45 钢，弹性模量为2.1e5 MPa，泊松比为0.28。 本文选用十节点空间四面体SOLID92单元对缸体进行网格划分。SOLID92 有二次方位移，能很好地划分不规则的网格 (譬如有各种各样的CAD/CAM 软件产生)。 采用 MESHTOOL 对缸体进行自由网格划分，并对缸体壁与缸底过渡处和缸底中心范围进行网格细化，整个模型共生成89 317 个单元。 如图3。 模型的约束加在缸体的头部右侧面，全部自由度为零。中间对称面加对称约束 symmetryB.C以模拟整个模型的载荷情况。在模型的底面、缸体内圆面及进油口施加面载荷1 MPa，如图4 所示。