液压缸稳定性的有限元分析

　　1 前言

　　液压缸是液压系统的关键部件,在工程上液压缸可视为承受轴向压缩的细长压杆，当轴向力达到或超过一定限度即临界载荷时会发生失稳，使构件失效，导致相关的装置发生坍塌，由于这种失效具有突发性，常常带来灾难性后果。因此，稳定性的校核是液压缸设计计算的一项重要内容。本文针对液压缸的稳定性，采用有限元分析软件进行仿真分析验证[1]，活塞式液压缸的稳定性公式,在工程设计过程中，可以参考文献[1]的临界载荷计算方法确定液压缸的型号和受载。在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的有限元分析(FEA,FintiElement Analysis)方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了很有效的途径。ANSYS 软件是集结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，拥有丰富和完善的单元库。材料模型库和求解器,在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。

　　2 液压缸的有限元分析

　　在文献[1]的典型液压缸力学模型中，液压缸的实际结构具有如下特点:轴向载荷可同侧或异侧偏心；可为集中力和均布力；液压缸端部除铰支外,还可以为自由端或固定端约束；液压缸级间过渡视为弹性联接等特征。为简化问题的讨论,液压缸各部分可视为材质相同, 各项均为同性的理想弹塑体, 液压缸各部分变形是小挠度。为能够用 ANSYS 对液压缸进行分析，必须先进行液压缸的三维造型。根据液压缸结构特性和工作特性，采用自顶而下的建模方法，先粘接各个实体，使缸体、缸盖、活塞杆和密封圈成为互相连接的一个整体，保证在他们的边界处能够进行有效的力传导。PRO/E 实体造型软件通用性强，造型功能强大，并且自带接口可进行多种图形格式的输出。在造型后，可方便应用于后续工程分析。根据液压缸结构、作用载荷及约束等都是轴对称的条件，本文通过 PRO/E2001 造型功能软件，建立液压缸模型后，由ANSYS8.1完成有限元分析。因此，PRO/E和 ANSYS 的无缝集成也就成为解决问题的关键。

　　2.1 有限元模型的建立

　　对液压缸受载变形进行有限元分析时,必须进行有限元分析前处理,目的是用于定义求解所需的数据,选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格、控制节点、单元等划分以及定义耦合和约束方程。下面是简要的过程:

　　(1)实体造型。利用 Pro/E 的造型模块完成液压缸的实体造型。

　　(2)模型导入。应用上述集成方法将液压缸模型导入 ANSYS 中，导入前后模型的点、线、面均存在，没有发生扭曲、丢面或多面等现象，真正实现了液压缸从 Pro/E 到 ANSYS 的无损导入，使设计和分析紧密结合起来。