基于ANSYS的活塞杆校核与模态分析

　　1 引 言

　　活塞杆是液压机械装置的重要零件之一［1］。垂直支腿式液压缸主要起支撑作用，油缸大而长，且结构比较紧凑。当活塞杆承受的载荷达到或是超过一定限度即临界载荷时，会发生断裂，导致整个液压机械装置的崩塌。由于这种失效具有突发性，常常带来灾难性后果，因此，强度及刚度校核是活塞杆设计计算的一项重要内容。本文针对应用于海水中的液压缸，活塞杆需承受海浪巨大冲击的工作环境下，通过运用 ANSYS 软件对活塞杆进行强度和刚度的校核。

　　2 活塞杆静力分析

　　图 1 为运用ANSYS 软件进行结构强度校核的基本流程图［3］。基于活塞杆的工作环境，首先将其受力问题进行分析和简化后建立模型，然后进行约束加载和求解，最后根据输出结果和零件材料本身固有属性进行校核。

　　活塞杆在海水中工作时，主要受到液压推力和海浪的冲击力。液压轴向推力使得活塞杆工作，产生轴向位移。海浪冲击力方向不确定，但是危害性最大的情况是海浪横向冲刷在整个活塞杆表面。将活塞杆加工工艺过程中的焊缝、通气孔、密封槽等不影响性能的结构简化掉后，根据实际尺寸，建立活塞杆的有限元模型，如图 2 所示。

　　选择实体单元 SOLID45 作为模型单元，活塞杆的材料为 45 调质钢。输入材料弹性模量、泊松比和密度后，对模型进行网格划分。活塞杆的安装方式为杆尾与活塞固定，球式杆头铰接。因此约束杆尾端面所有方向的自由度，同时约束球头铰接点 X、Y、Z 方 向 自 由度。活塞杆的最危险状态在整个杆体承受冲刷时，因此将海浪冲刷应力均布施加在圆柱杆体表面的一半。得到如图 3 所示的活塞杆约束加载三维模型。

　　将模型直接进行静力分析，在后处理器中输出活塞杆等效位移图和等效应力图，如图 4和图 5 所示。由分析结果可知，活塞杆的杆体发生最大变形，最大位移为0.262048mm，变 形较小；在球头与杆体的连接部位产最大应力，为75.874MPa。 已 知45 调质钢的抗拉强度是 600MPa，因此设计满足要求。

　　3 活塞杆模态分析

　　为了求得活塞杆的前 6 阶固有频率，根据静力分析边界的约束条件，对活塞杆进行模态分析，得到活塞杆的前 6 阶频率如表1所示。1阶振型图如图 6所示。

　　通过以上各阶模态值及 1 阶模态对应振型分析可以得出：

　　（1）活塞杆的固有频率为 0.11732Hz。活塞杆的各阶模态频率相差不大。随着阶数的增加，固有频率有所增加。