液压缸承受径向载荷的非线性有限元分析

　　1 概述

　　液压缸是将液体的压力能转换成机械能，实现往复直线运动的执行元件。在工程中主要用来输出轴向力和速度，基本不承受径向力或只承受很小的径向力，液压缸的典型结构，如图1所示。由于液压缸具有输出功率大、易于控制等优点，现已广泛应用到各型轮式战车上作为战车射击时的支腿，以消除轮胎的弹性，提高战车射击时的稳定性，这时就要求液压支腿不仅要承受轴向力，还要承受一定的径向载荷以抵抗火炮射击后座力。对活塞和导向套来说，径向载荷相当于一个弯曲力矩，这会导致受力状况急剧恶化，尤其是在液压腿完全伸出的情况下，很容易造成液压缸漏油甚至刚强度不够的情况，因此必须对液压缸进行变形计算和强度校核，以保证液压缸能够安全工作，不会出现破坏和漏油问题。运用有限元分析软件ANSYS对液压支腿进行建模和仿真计算，校核了缸筒、活塞杆、导向套和活塞的应力及变形后相互间产生的间隙。

　　2 液压缸有限元建模

　　2.1 实体建模、定义材料与网格划分使用HOLLOW CYLINDER(空心圆柱体)命令分别建立缸

　　筒、活塞、活塞杆和导向环，活塞和活塞杆之间由于没有相对运动，在有限元建模中使用GLUE(粘结)命令将其连为一体，同样原因液压缸与导向环也连为一体。采用SOLID95单元，SOLID95单元为20节点六面体单元，仿真精度高，并且可以退化为三棱柱单元，方便了不同材料间网格的衔接。在ANSYS内定义材料：27SiMn、普通钢和铜，分别输入三种材料的弹性模量和泊松比，在划分网格时为缸筒和活塞杆指定材料为27SiMn，为活塞指定材料为普通钢，为导向环指定材料为铜。运用SWEEP(扫掠)方式划分网格，共得到3816个单元，13492个节点。

　　2.2 添加接触单元

　　为了方便接触单元的建模，ANSYS 软件专门提供了接触向导对话框，在对话框中指定要建立接触的两个面，此时注意两个接触面的正方向要相互指向对方;指定接触刚度比例因子，比例因子一般在0.01和10之间，这里取1。

　　2.3 施加约束

　　根据实际工程应用，约束缸筒外表面下端400mm 长度的自由度，在活塞杆底部施加33000N 的径向力，忽略活塞杆承受的轴向力，活塞杆的受力类似于悬臂梁。至此有限元建模的工作全部完成，下一步即可启动ANSYS求解器进行计算。完成有限元建模后的模型，如图2所示。

　　3 结果处理与分析

　　完成有限元计算后，进入结果后处理模块。ANSYS 提供了完善的后处理功能，为了显示液压支腿内部的应力及变形情况，采用剖面显示的方法;而为了清晰的显示部件的变形，将变形放大倍数设定为100。后处理的应力图和变形图如图3、图4和图5所示：