基于UG的液压支架立柱应力分析方法探讨.pdf

第5期 总第 1 6 8期 2 01 1年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI C AL EN GI NE ERI N G AUT 0MA nON No ． 5 Oe L 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 1 0 - 0 0 7 3 - 0 2 基于 U G的液压支架立柱应力分析方法探讨 邵静茹 ，刘混举 ，祝炳梁2 ，胡大龙 ，郭丹丹 1 ．太原理工大学 机械．T - 程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 4 5 0 0 1 3 摘要在 U G的有限元分析模块中，建立液压支架立柱的有限元模型。通过不同的加载方案，对双伸缩立柱的 活柱、中缸、外缸、导向套和整体结构进行详尽的强度分析，为液压支架的设计、生产提供可靠的理论依据。 关键词立柱；U G；N a s t r a n ；应力；有限元分析 中图分类号 T D 3 5 5 ． 2 T P 3 1 文献标识 码 A 0引言 立柱是液压支架 的主要承载件和高度调节件 ，是 液压支架的关键部件 ，它的设计成功与否会直接影响 到整个支架的成败。随着液压支架工作 阻力的不断加 大，对立柱强度、稳定性等有 了更 高的要求 ，因此， 计算立柱在不同设计方案中的应力分布是十分重要的。 U G的 N a s t r a n是 U G集成 的一个有 限元 分析工 具 ，它可 以直接将建模模块中建立 的几何模型转换成 为有限元分析模型 ，并进行多种方案的比较，从而可 在不需要另外构建近似几何模型的情况下精确表现真 实的产品设计 ，且在分析的后处理结果 中，能准确直 观地 得 到其 各部 位 的应 力、应 变 等参 数 的分 布情 况 ⋯。本文将基于 U G的有限元分析模块探讨液压支 架立柱的应力分析方法。 1 立柱有限元模型的建立 本文以 3 6 0双伸缩立柱为例 ，通过划分 网格 、 添加约束 、赋值材料 、设置接触面等步骤 ，逐步建立 立柱的有限元模型。 1 ． 1几何模 型 在 U G的建模模块中分别建立活柱 、中缸 、外缸 以及导向套 的三维模型，然后按照它们相互间的约束 关系将其装配到一起 ，组合成立柱的几何模型。由于 各零件本身不规则 ，并且相互装配后 也产生不规则 ， 如果将这些不规则引入到有限元模型中，将会导致 网 格 的奇 异化 ，使得 有 限元 求解 难 以收敛 J 。因此 ， 在保证 3 6 0双伸缩立柱模型原貌不失真 的前提下 ， 忽略了一些孔槽结构 ，以便有限元模型的建立和求解 能够较顺利地实现。立柱几何模型如图 1所示 。 1 ． 2单元及 网格 网格数量将影响计算结果的精度和计算规模的大 小。一般来讲，网格较少时增加网格数量可以使计算 精度 明显提高 ，而计算时间不会有大的增加 。当网格 数量增加到一定程度后 ，再继续增加网格时精度提高 甚微 ，而计算时间却有大幅度增加 J 。 3 6 0双伸缩立柱结构复杂 ，特别是导 向套和缸 筒的接合区域以及一些不规则实体部分 ，为了保证计 算精度 ，这些部位必须细化。而在计算数据变化梯度 较小的部位 如缸筒 ，为减小模型规模 ，可以划分 相对稀疏的网格。 图 1 立柱几何模型 1 ． 3接 触 面设 置对话 框 由于立柱的几何模型是由活柱、中缸、外缸和导 向套组合成 的装配体 ，因此在进行有限元分析时必须 要进行各零件之间接触面的关系设置，否则装配体将 无法进 行 有 限元 分 析。在仿 真 导 航 器 的 S i m u l a t i o n o b j e c t C o n t a i n e r中，我们可以对立柱各零件之间的接 触面进行 “ 曲面到曲面接触 ” 的设置 ，该设 置可以 模拟真实工作状态下导向套和缸体接触面之间的约束 关系。接触面设置对话框如图 2所示。 1 ． 4 材料属性、边界约束及载荷 添加零件的载荷用于模拟零件 的真实工作状态 ， 不同的载荷情况导致模型内部不 同的应力和应变分布 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 - 1 2 ；修 回日期 2 0 1 1 - 0 5 1 8 作者简介 邵静茹 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北石家庄人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方 向为机 电液一体化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1 年 第 5期 情况。了解在一定的外载作用下零件应力和应变分布 状态是有限元分析的 目的。 图 2接触面设置对话框 零件的边界条件用来约束零件在各方 向的平动和 转动 自由度。必须给零件设置一定的边界条件 ，以约 束零件在某个方 向的 自由度才能对零件进行有限元分 析 J 。本文分 析中边界约束条件设定外缸顶端 约束 为固定位移 。 3 6 0双伸缩立柱结构材料为 2 7 S i Mn ，其材料属 性 见表 1 。 表 1 立柱材 料属 性 材料 弹性模量 P a 密度 k s ／ m 泊松 比 2 7 S i Mn 2 ． 0 7 1 0u 7 8 5 0 0 ． 3 3 6 0双伸缩立柱推荐行程 S1 3 0 0 m m，以最 大全行程为计算条件 ；额定工作阻力 4 5 0 0 k N，根据 MT 3 1 31 9 9 2 ，需 要 进行 1 ． 5倍 加 载 ，故 以 1 ． 5 4 5 0 0 k N轴向对中加载为计算条件 。额定工作压力为 4 4 MP a ，外缸加载 4 4 x 1 ． 5 6 6 MP a ，中缸的液体压 力经计算为 1 1 7 ． 3 MP a 。 2有 限元分 析结 果 对有限元模型进行综合检查后 ，即可用解算器进 行计算。分析计算结果以直观和彩色的图形化方式显 示 ，其中包含 了节点和单元的分析结果数据 。立柱 的 应力云图如图 3所示。 图 3中显示 了最大和最小 V o n Ms i s e 应力的结果 和位置。由立柱应力云 图可知 ， 3 6 0双伸缩立柱整 体和各部件在 1 ． 5倍额定工作阻力作用下，应力变化 平坦 ，应力分布均匀 ，最大应力位于节点 2 5 0 5 4 ，其 值为6 5 0 M P a ，小于规定屈服点 8 3 5 M P a 。故该立 柱的设计是安全可靠 的。 图 3 立柱 的应 力云图 在 U G的后处理中，模型可以智能地显示 出应力 的最大值和最小值 以及它们相应 的位置 ，同时 ，通过 模型的颜色可以判断出其应力的分布范围，从而可以 直观地对立柱受力 的危险区域有一个感性认识 ，为立 柱的设计 、生产以及优化提供可参考的依据 。 3结语 1 应用 U G中的 N a s a n对立柱进行有 限元分 析时 ，如果分析结果不太理想 ，可以单独对网格或约 束等某个条件进行相关的编辑和调整 ，从而可以快速 地得到优化计算结果 ，提高计算的效率。 2 由于立 柱是 由多个 零件 组合成 的装 配体 ， 在前处理阶段必须对其进行各零件之间接触面的关系 设置 ，否则零件之 间无法进行力和变形 的传输。 3 有限元分 析方法和传统 的方 法相 比，可大 大提高分析的精度和速度 ，为进一步优化立柱和相关 零件的结构设计提供理论依据。 参 考文献 [ 1 ] 洪如瑾 ． U G N X 4高级仿真培训教程[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 刘鹏， 王好臣 ．基于 U G的小直径立铣刀应力场有限元 分析[ J ] ． 工具技术， 2 0 0 7 7 6 8 - 7 0 ． [ 3 ] 汪传生， 田浩 ．基于 U G的六棱同步转子有限元分析 [ J ] ． 橡胶工业， 2 0 0 8 4 2 4 2 2 4 4 ． [ 4 ] 于春浩 ， 单根立 ．基于 U G的液压制钉机有限元分析 [ J ] ． 现代机械 ， 2 0 0 9 3 6 6 8 4 ． S t r e s s An a l y s i s M e t h 0 d 0 f Hy d r a u l i c S u p p o r t Co l u mn Ba s e d 0 n UG S HAO J i n g - r u ， L I U Hu n - j u ， Z HU B i n g - l i a n g 2 ， HU D a - l o n g 2 ， GU O Da n d a n 2 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u C o a l M i n i n g Ma c h i n e r y G r o u p C o ． ， L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp u t a t i o n a l mo d e l o f a h y d r a u l i c s u p p o r t c o l u mn w a s e s t a b l i s h e d i n fin i t e e l e me n t a n aly s i s mod ule o f UG． B y d i ffe r e n t l o a d i n g p r o g r a ms ．w e c a r ri e d o u t a d e t a i l e d s t r e s s a n aly s i s o n t h e d u al t e l e s c o p i c c o l u mn i n c l u d i n g c e n t e r c y l i n d e r ，o u t e r c y l i n d e r ，g u i d e s l e e v e a n d S O o n ． I t ma y l a y t h e t h e o r e t i c al b a s i s f o r t h e d e s i g n，p r o d u c t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f h y dra uli c s u p p o r t s ． Ke y wo r d s c o l u mn ；UG；Na s t r a n；s t r e s s ；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m