多级压缩杆非等截面线性屈曲分析研究

摘 要：为防止多级液压缸在受压工作中出现失稳破坏，基于工程作业安全的重要性，建立多级液压缸有限元压缩杆简化模型，并通过有限元分析软件ABAQUS从非等截面对压杆模型进行线性屈曲分析。

关键词：压缩杆;非等截面;屈曲分析

0 引 言

大型起竖设备中，液压缸起到将液压能转化为机械能的作用，因此是重要的执行元件。在起竖过程中，液压缸作为支撑部件，将负载从水平位置起升至一定角度的过程里，始终会受到负载的轴向压力。实际工程中多级液压缸完全伸出时，其在距离长、受压大且在轴向力作用下易出现弯曲或失稳，从而出现重大的工程安全问题，因此其稳定性的研究具有重要的工程实际意义。

1 液压缸有限元模型的建立

1.1 研究对象分析

为确定多级液压缸最大临界载荷的范围，防止液压缸结构失稳，引起工程安全事故。本文以对四级液压缸的实际测量值为参照对液压缸进行参数化建模。由于四级液压缸缸体完全伸出时实际长度达到数米，同时在轴向上要承受负载施加的大轴向力，基于此工况下，可将液压杆稳定性模型简化为压杆模型。由于要确定液压缸临界载荷的下界，考虑到四级液压缸的一级缸是实体活塞杆，而其余三级缸的缸体为空心圆筒，又因为空心筒相比于实体活塞杆刚度小，承受载荷小的特点，所以液压缸失稳现象更容易存在空心筒上。因此为得到临界载荷的保守值，可将液压缸的一级缸进行简化，从而将液压缸整体采用空腔模型的建模方式。所以在分析过程中将四级液压缸简化为三级空腔缸，其中将一级缸与二级缸体固为一体，此时的长度依旧取为液压缸的整体长度。

1.2 有限元模型的建立

考虑到液压缸在起竖过程中伸出行为缓慢，而且过程中一直承受沿着轴线方向上的轴向力，因此压杆的边界条件设置为底端采用固定约束，顶端施加轴向载荷，其载荷根据液压缸工作阻力大小而依据实际加载。根据对实际液压缸长度测量，设定各级液压缸长度为1.5m，从而通过改变液压缸截面半径来研究临界载荷的大小。其中，定义的液压缸的材料属性为弹性模量为E=210GPa，泊松比μ=0.3，屈服应力σ=355Mpa。有限元的單元模型采用B32梁单元，其属性为三结点二次空间梁单元。

2 非等截面线性屈曲分析

在有限元线性屈曲分析中，临界载荷的结果是以屈曲特征值呈现的，其大小是实际施加载荷与特征值乘积的最终结果。而每个特征值所对应的模型形变的状态为屈曲模态，更为直观的看出模型在该临界载荷下的变形状态，从而确定发生变形的位置，有效避免事故的发生。

为了贴近实际，采用非等截面屈曲分析，这样能有效将临界载荷范围缩小。非等截面缸体模型将缸体总长度等分为三份作为一、二、三级缸的长度。变截面杆的屈曲模态如下：

从屈曲模态可看出在前四阶模态中，前两阶特征值相同但变形状态不同，其中，在施加载荷位置处的变形最大;后两阶特征值相同但变形状态不同，其中变形最大位置已经处在一级缸的中间位置，也就是随着特征值增大变形最大位置逐步由施加载荷位置处向缸体中间挪动，针对实际工程中需要着重对液压缸承受载荷部位进行校核、实验和保护。

3 结 论

本文采用有限元方法从非等截面线性屈曲的角度对液压缸模型进行了分析，为工程实际应用与运用提供了参考。

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