牵引车支撑液压缸结构有限元分析与优化

顾永峰1 王伟平1，2 闫洪峰2 崔 亮2 王 凯2
1 中国农业机械化科学研究院 北京 100083 2 北京金轮坤天特种机械有限公司 北京 101113

摘 要：所设计的有杆飞机牵引车在更换轮胎时，支撑液压缸将代替车轮作为其主要承载部件，且液压缸需满足垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种典型工况下的强度及稳定性要求。通过有限元分析软件Ansys，采用强度及特征值屈曲分析相结合的方法对支撑液压缸进行仿真，得到结构在多工况下应力分布云图及前六阶屈曲特征值。分析结果表明，液压缸部分构件的最大应力超过许用应力值但未发生屈曲，结构不满足强度要求。因此对结构改进优化并再次分析，得到满足工况需求的液压缸，为进一步的研究提供了参考。

关键词：支撑液压缸；强度分析；屈曲分析；改进优化

中图分类号：TH211 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0060-05

1 支撑液压缸设计
1.1 液压缸结构
所设计的转运车支撑液压缸主要由支撑底板、销轴、缸体、活塞杆组件组成，如图1 所示。由静力学分析可知，液压缸在最大工作行程时，其强度及稳定性均最差[4]。为了便于后续的有限元分析，应用SolidWorks 建立支撑液压缸最大行程时的三维模型，如图2 所示。

1. 支撑底板 2. 销轴 3. 活塞杆组件 4. 缸体
图1 升降液压缸结构组成

图2 最大行程时液压缸的三维模型

1.2 液压缸材料
转运车有四个支撑液压缸，在满载工况下，每个液压缸的承重为60 kN。根据工程经验，对液压缸各构件选取相应的机械材料，并设定安全系数为1.5。表1 所示为各部分的材料及强度。

2.1 分析前处理
在Ansys 中赋予液压缸结构各部分材料属性，并将各部分连接重新定义。比较各种 格划分方法得到的 格质量[5]，最终选自单元长度为5 mm 的体 格划分法，得到平均 格质量为0.92 的优良 格。

为了使仿真更贴近实际工况，在支撑底板底面添加固定约束，并在缸体表面与集装箱连接处分别添加垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下载荷，如表2所示。

求解以上三种工况下支撑液压缸等效应力值，并得到相应云图。

2.2 强度分析结果
图3 所示为支撑液压缸在垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下的整体应力分布云图。由图3 可知：液压缸横、纵向侧倾时应力远大于垂直工况下应力；缸体整体应力偏小，满足强度要求；支撑底板在侧倾工况下应力较大，最大值为307 MPa，超过了该构件的许用应力值；液压缸的最大应力处位于侧倾工况下活塞杆与底板连接的端部，为622.64 MPa，不满足强度要求[6]。

(a) 垂直时应力

(b) 横向5°侧倾时应力

(c) 纵向5°侧倾时应力
图3 液压缸整体应力分布云图

由于整体应力云图难以表达销轴处的强度特征，因此采用单实体应力显示的方法观察销轴在侧倾工况下的应力值，如图4 所示。由销轴应力云图可知，其最大应力出现在支撑缸横向5°侧倾的工况下，为219.38MPa，与结构许用应力相差不大。由有限元强度分析可知，所设计的结构在强度方面不满足工作需求，需进行优化。

(a) 横向5°侧倾时应力

(b) 纵向5°侧倾时应力
图4 销轴应力分布云图

3 液压缸屈曲分析
3.1 特征值屈曲分析基础
特征值屈曲分析又称为线性屈曲分析。应力刚度矩阵可以增强或者减弱结构的刚度，取决于刚度应力时拉应力还是压应力。当结构受压时，压力增大，弱化效应增加，当达到某个载荷时，弱化效应超过了结构的固有刚度，静刚度为零，位移无限增加，结构发生屈曲[7]。一般方程为

3.2 载荷添加及模型求解
分析可知，液压缸在垂直工况下所受轴向压力最大，因此仅对垂直时的支撑液压缸进行屈曲分析[7,8]。支撑液压缸中，缸体及活塞杆组件均属于压杆，故对缸体和活塞杆组件分别进行屈曲分析。边界条件均为一端固定一端加载，载荷为-Z 方向1 000 N 的力，求解得到前六阶屈曲特征值，如图5 所示。

(a) 缸体屈曲特征值 (b) 活塞杆组件屈曲特征值
图5 屈曲特征值

由图5 知，缸体和活塞杆组件的一阶屈曲特征值分别为1677.4 和144.19，即液压缸的临界压力为144.19kN。液压缸的最小稳定安全系数为2.40，由于规定的稳定安全系数为2，故结构满足稳定性要求[8]。

4 改进优化
4.1 液压缸结构优化改进
由支撑液压缸有限元强度和屈曲分析可知，液压缸的稳定性满足要求，但结构强度不足。液压缸在横向5°侧倾和纵向5°侧倾两种工况下，其最大应力超过了构件许用应力。为了增强液压缸结构强度，在底座两侧添加导向杆，并在液压缸上设计导向板结构，导向杆及导向板构件材料分别选用选用40Cr 和45 钢，改进后液压缸结构见图6。

1. 活塞杆销 2. 活塞及活塞杆 3. 导向柱 4. 缸体 5. 导向套 6. 支撑底板 7. 导向杆销
图6 液压缸改进后三维图

4.2 优化后强度分析
根据实际工况，检查并重新定义液压缸装配体各构件之间的连接[9]：将导向套与缸体、导向套与导向杆、活塞杆与缸体之间的绑定接触删除，并重新定义为连接面之间的接触为不分离约束；将导向杆销与底座上固定座侧向的绑定接触删除，并定义为导向杆与导向杆销、导向杆销与底座上固定座之间的过渡绑定约束。修改后各部件的连接关系如图7 所示。

图7 液压缸各部件连接改进图

施加与优化前相同的约束与载荷，求解结构在两种侧倾工况下的应力，得到如图8 和图9 所示的应力分布云图。

(a) 横向5°侧倾时应力

(b) 纵向5°侧倾时应力
图8 改进后液压缸整体应力分布云图

( a ) 横向5°侧倾时应力

( b ) 纵向5°侧倾时应力

图9 改进后销轴应力分布云图

改进后液压缸的最大应力从622.64 MPa 降至490.94 MPa。销轴的最大应力为157.97 MPa，比改进前降低了61.41 MPa。液压缸结构在改进后满足强度要求，结构合理[10]。

5 结语
对所设计的牵引车支撑液压缸进行垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下有限元强度及屈曲分析，通过分析得知液压缸满足稳定性要求，但活塞杆及销轴处应力值偏大，不满足强度要求。为此，对支撑液压缸结构进行优化设计，求解得到相应应力云图。由应力云图可知，构件最大应力显著减小且小于构件的许用应力。证明支撑液压缸结构改进的合理性，同时也为后续瞬态动力学分析强度设计提供了参考[11]。

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