基于ANSYS的大型柱塞缸缸体的优化设计*

郝立红

(兰州交通大学博文学院机电工程系，甘肃兰州 730101)

基于ANSYS的大型柱塞缸缸体的优化设计*

郝立红

(兰州交通大学博文学院机电工程系，甘肃兰州 730101)

以减轻液压缸重量和延长使用寿命为优化目标，采用有限元分析软件ANSYS对液压机的柱塞油缸进行结构优化设计，得到详细的应力、应变分布图以及应力集中和最大变形位置，根据分析结果，优化设计方案，并进一步采用ANSYS软件对优化前后的液压缸进行了有限元分析，以验证优化方案的正确性。

快锻液压机;大型柱塞油缸;优化设计;有限元;应力分析

1 引言

液压缸是液压机中重要的零部件之一，随着液压机的大功率化和高速化，快锻液压机的使用在我国越来越广泛。大型柱塞式液压缸是快锻液压机的主液压缸的其中一种，也是目前应用非常广泛的快锻液压机的主液压缸，其强度、刚度和稳定性对液压机系统的安全起着决定性作用。

针对快速锻造压力机大型柱塞油缸进行分析、设计与研究，利用ANSYS workbench的仿真、优化功能，对快锻液压机的柱塞油缸进行结构优化设计，对提高使用寿命，增加经济效益具有重要意义［1］。

2 大型柱塞缸缸体实体模型的建立

快锻液压机的柱塞油缸结构复杂，分布有缸筒和缸盖、柱塞和柱塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置，简化时，只考虑实际工况时对缸体起主要作用的结构因素，忽略对整体特性影响很小的局部结构因素，在Solidworks中对柱塞缸缸体进行实体建模，模型如图1所示。

3 大型柱塞缸缸体有限元网格划分［2-9］

快锻液压机的柱塞缸的结构和所受载荷是对称的，为简化计算过程，取1/2的实体模型进行有限元网格划分时，首先要做结构分析，确定单元类型。

3.1 材料选取

快锻液压机的柱塞油缸材料为35MnMoB，其材料:密度为7 900 kg/m3，弹性模量为2.12×1 011 N/m2，泊松比为0.27。

图1 缸体的实体模型

3.2 单元的选择

快锻液压机的柱塞油缸这类较复杂的结构用三维实体单元描述它的结构，以便能反应真实工况，利用ANSYS对实体模型进行三维建模得到缸体的有限元模型如图2、3所示。

图2 气缸体的ANSYS模型

图3 气缸体ANSYS实体模型

3.3 网格划分

柱塞油缸缸体采用了自由网格划分，网格单元采用10节点四面体的SOLID92，共有245 020个单元，372 702个节点。有限元模型如图4所示。

3.4 施加边界条件并加载

加载时，模型受到的载荷有内压以及重力和支撑力。考虑到重力相对内压的影响而言数量较小，可以忽略。因此，只对内壁施加面载荷P=31.5 MPa，如图5所示。

图4 气缸体网格划分

图5 气缸体边界条件和加载

3.5 有限元分析结果

3.5.1 求 解

利用求解处理器对模型求解，获得汽缸体的变形图和应力云图，如图6、图7所示。

图6 气缸体变形图

图7 气缸体应力云图

3.5.2 应力结果分析

图7中反映了气缸壁受内压作用后结构模型的应力情况，应力大小分别采用不同颜色表示，其中最右边区域表示应力值最大，最左边区域表示应力值最小，从图7中可看出应力最大处为265.119 MPa。

4 结 论

(1)由于内压作用，气缸壁向外膨胀，模型为轴对称图形，所受的内压是均匀的，膨胀也是均匀的，与预期相符。

(2)气缸壁沿轴线方向应力分布是不均匀的，应力最大出现在气缸体与进气管的接缝处。这是由于进气管处的模型尺寸发生了较大变化，导致应力集中，所以仿真结果是合理的。

(3)通过对气缸壁进行强度校核表明，当采用20MnMoB材料，安全系数取2.5时，气缸体的最大应力值远远小于许用应力，表明壳体的承压空间足够。

［1］ 韩松涛，郝志勇.4108Q型柴油机连杆的模态特性有限元分析［J］.车辆与动力技术，2000(4):37－40.

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［3］ 王增山，虞伟建，王开福.基于ANSYS的机翼接头强度分析及优化设计［J］.机械设计与制造，2009(7):47－49.

［4］ 关振群，宋 超.有限元网格生成方法研究的新进展［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(1):1－14.

［5］ 王庆霞，代素梅，李蓓智.伪液相静压夹具及其关键件的优化设计［J］.机械设计与制造，2009(12):238－240.

［6］ 叶国林，曾建谋，杜宝雷.柴油机连杆有限元分析［J］.内燃机，2008，2(1):11－14.

［7］ 钟佩思，赵丹，孙雪颜，等.基于ANSYS的汽车车架的建模与模态分析［J］.机械设计与制造，2008(6):52－53.

［8］ 陈举华.机械零件的计算机辅助设计［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［9］ 秦传江，杨 震.EQ6105DTAA柴油机连杆的有限元分析［J］.西南农业大学学报:自然科学版，2005，27(1):114－117.

Optimum Design of Cylinder of Large Piston Cylinder Based on ANSYS

HAO Li－hong
(Department of Mechanical＆Electronic Engineering，Lanzhou Jiaotong University Bowen College，Lanzhou Gansu 730101，China)

Reducing the weight and extending the life of hydraulic cylinder are taken as the optimizing objective，software ANSYS is explored to optimize the stuffed oil cylinder structure of hydraulic machine.The stress，strain distribution，stress concentrated and maximum deformation location are obtained.Based on the results，the design programmer is optimized.

quick forging hydraulic press;large plunger cylinder;optimization design;finite element;stress analysis

TS201.55

A

1007－4414(2013)05－0118－02

2013－09－05

郝立红(1980－)，女，甘肃兰州人，讲师，在读硕士，主要从事现代机械设计方法及理论的研究。