液压悬浮立柱抗冲击性能分析

2015-07-07魏耿赞李炳文李亚飞

制造业自动化 2015年6期

魏耿赞，李炳文，李亚飞

（中国矿业大学机电工程学院，徐州 221116）

0 引言

液压悬浮立柱在实际工作中，既包含流体，又包含固体，如果单纯的采用传统的有限元分析方法，并不能真实模拟实际工况，目前普遍采用流固耦合技术。流固耦合是研究流体与固体之间相互作用的一门学科，是流体力学与固体力学相结合的一门学科。对于悬浮立柱的抗冲击性能分析，在固体域采用带有网格有限元分析方法，而对流体域的分析，则采用SPH粒子法。

SPH方法是一种新型拉格朗日算法，该方法基于插值原理，并运用核估算式把偏微分方程转化为积分方程的形式，通过一系列离散粒子的总和，在数值上逼近真实结果。在SPH方法中，这些离散粒子的运动被当做流体的运动，流体动力学方程中的能量守恒、质量守恒、和动量守恒方程都被转化为力学和热力学的形式。由于采用了离散的粒子而非网格结构，故有效避免了大变形问题中网格畸变和重构等问题，使其计算精度得到了很大的提高。本文主要是基于上述理论与方法，在ABAQUS中，对液压悬浮立柱进行抗冲击性能分析。

1 立柱冲击模型的建立

在Pro/ENGINEER中，建立液压悬浮式立柱的三维模型，为方便在ABAQUS中进行分析，简化了立柱模型，建立3个部件，分别为内部液体、活柱以及缸体。同时，为提高网格的质量，将立柱两端铰接处修改为圆柱体。由于本文主要是研究立柱在冲击载荷下，缸壁各部分的受力情况，因而立柱铰接处的简化，对分析结果的影响可以不予考虑。在Pro/ENGINEER完成装配后，将装配文件导入到ABAQUS中。

2 立柱模型的前处理

2.1 模型材料的定义

模型导入后，定义各部分材料属性。活柱和缸体为27SiMn，立柱的工作液体主要为乳化液，其95%的成分为水，因而近似用水的属性来替代乳化液。液体属性的定义采用状态方程来描述，通过状态方程可以得到液体内能的变化情况，液体压力作用在活柱和缸体上，随着外界载荷变化而变化。

2.2 网格划分和单元类型的选择

为提高分析效率，设置稳定增量步长为le-6，网格的划分需要两种单元类型。活柱和缸体都是实体，均采用C3D8R八点线性六面体单元，内部工作液体采用拉格朗日粒子单元PC3D。网格划分结果如图1和图2所示。

图1 活柱和缸体的六面体单元网格

图2 工作液体的粒子单元

2.3 边界条件和载荷定义

由于活柱对液体加压，高压液体要实现活柱以及缸体的反作用，所以整个模型采用“全接触”定义方式，即系统对全局进行自动接触识别，接触的法向行为是“硬接触”，允许接触后分离。边界条件设置如下：对缸体下端固定约束，活柱上端施加随时间变化载荷，模拟压力的初始化和冲击载荷。

《煤矿用液压支架第2部分：立柱与千斤顶技术条件》对立柱的冲击试验作如下规定：立柱外伸至全长75%，并在0.6倍额定工作压力撑紧，冲击重物的质量不得小于10000kg，冲击使立柱腔内压力达到1.5倍额定工作压力，压力从初始值达到最大值的升压时间在30ms内实现。根据上述试验条件，采用动态加载方式，先对立柱加载到0.6倍工作压力，继而施加冲击载荷。

由于立柱内部充满液体，即便采用缓慢加载的形式，在加载完成时，也会对立柱产生周期性的冲击，呈震荡效果。因此需要对加载的过程作相应改进。在压力初始化的过程中，要对立柱进行动态加载，为了尽量减少加载时对立柱产生的冲击效果，采用Step函数。在加载到一定值后，保持加载力不变，使液体动能释放。动能释放一定时间后，在液体震荡的最低位置施加冲击载荷，这样能够有效避免液体震荡对仿真效果的影响。立柱的加载曲线如图3所示。

图3 立柱加载曲线

3 冲击载荷的结果分析

加载时，将立柱工作阻力换算为活柱顶部面积相适应的压力，即0.6倍工作阻力1653kN换算为43.5MPa。如加载曲线所示，0～0.2s从0加载到43.5MPa，0.42s开始施加冲击载荷，0.42～0.44s突升到144MPa，即2倍工作阻力5510kN。仿真时间0.5s后，得到立柱的应力云图。如图4所示，时间t=0.44s立柱的应力云图。

图4 立柱响应云图

活柱在加载和冲击过程中的位移曲线如图6所示，初始压力加载时，活柱的回缩量很大，这是因为模型中液体初始压强为0，要达到高压状态必然会有大的体积压缩量。实际工况中，液体是由泵站供液达到高压，所以不存在大的回缩量。完成加载0.44s后，立柱相对平衡位置回缩86.4mm，冲击作用后再一次变为逐渐衰减的振荡形式。

图5 活柱位移曲线

对工作液体压强和缸壁应力较大处取节点绘制曲线，如图6和图7所示。忽略初始增压过程，从图形可以看出，在0.44s时，工作液体压力达到63.6MPa，基本达到了工作压力的1.5倍58.5MPa。说明仿真条件的定义满足立柱的试验要求，仿真结果具有实用价值。同时，缸壁的应力值达到559.8MPa，没有超过27SiMn合金钢的屈服极限，说明本支架采用的悬浮式立柱能够抵抗冲击载荷，满足立柱冲击试验的要求。