液压机立柱的设计及其有限元分析

　　现代液压机机架一般采用梁柱组合结构,这种结构加工和装配方便,但是工作时,在巨大的压制力作用下,立柱会产生向内侧的弯曲而变形。作为压机的关键部件立柱起承重、导向作用,并承受高周脉动冲击载荷[1],对整个机器的运行安全至关重要。

　　对于机械零部件设计,传统上一般是以安全系数和许用应力为基础的。设计人员主要根据使用经验来确定,由于缺乏定量的数学基础,设计结果具有明显的不确定性。随着CAD、CAE技术的发展,精确设计和模拟仿真逐渐成为设计的主流。ANSYS软件作为一种广泛应用的CAE软件,可以运用有限元法对结构进行静力学、动力学、热力学和电磁学等多种分析。通过ANSYS软件的应用,可以大大缩短零件的设计周期,从而减少设计成本,有利于多种型号产品的开发。

　　1　解析求算

　　1.1　初步设计

　　该机架采用梁柱组合结构,如图1所示,由上、下横梁与4根立柱用螺母连接而成[2]。采用25SCY4-1B柱塞泵为动力源,工作压力为32 MPa,工作频率为20次/min,工作寿命为无限寿命。立柱材料选用45号钢,经过调质处理,表面加工方法为精车。

　　当液压活塞工作时,机架立柱受向上拉力作用,由于是对称结构,4根立柱平均承受拉压载荷。其所受拉力F=10.32×103N。螺纹根部所在截面为危险截面,其截面直径为d1,需对其进行校核计算,立柱结构尺寸如图2所示。危险截面所承受拉应力σs=可知σs远小于材料屈服极限,表明对其进行静力校核是安全的。由于立柱承受高周冲击载荷作用,且工作寿命为无限寿命,因此需对其进行疲劳校核。

　　1.2　无限寿命疲劳设计

　　一般把寿命高于105次的疲劳,称为高周疲劳[3],高周疲劳通常发生在弹性变形范围内,可以采用常规疲劳设计方法。常规疲劳设计方法需假设零部件没有初始裂纹,应用标准试样疲劳试验得到材料的S-N曲线等性能数据,通过修正系数反映零部件尺寸、表面状态和应力集中等因素的影响。以对数坐标得到的S-N曲线,一般是由两直线组成的折线,按水平线部分进行的设计称为无限寿命设计,按斜线部分进行的设计称为有限寿命设计。

　　无限寿命设计适用于要求零部件或结构在无限长的使用期内不发生疲劳破坏的情形。S-N曲线的水平段表明,在低于疲劳极限的循环应力作用下,零部件的疲劳寿命是无限的,因此零部件或结构的寿命在理论上是无限的。

　　零部件受单向循环应力作用,是指仅受单向正应力或单向切应力作用。本立柱受单向脉冲动应力作用,其疲劳强度校核公式为

　　式(1)中,σ-1为材料在对称循环下的疲劳极限,Kσ为弯曲时有效应力集中系数,ε为尺寸系数,β为表面系数,Ψσ为不对称循环系数,σm为平均应力。Ψσ、σm计算公式分别如下