基于有限元分析的液壓缸支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

引言

液壓缸、絞車及電動推桿等廣泛應(yīng)用于礦山等諸多行業(yè)領(lǐng)域,在工程實(shí)踐中該部分設(shè)備需根據(jù)使用場合設(shè)計與之相應(yīng)的支架進(jìn)行支護(hù)或支撐。雖然支架具有不同的結(jié)構(gòu),但受力是相同的,支架在工作時主要受拉、壓及傾覆力矩作用。傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)大多為焊接件,存在焊接變形,消耗材料多,整體過于笨重,工藝流程和運(yùn)輸過程更為繁雜,生產(chǎn)效率低等問題[2]。針對傳統(tǒng)液壓缸支架存在的諸多問題,本文對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,在提升生產(chǎn)效率的同時控制了生產(chǎn)成本,也為其他支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一定的理論借鑒。

1有限元分析

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化與ANsYs建模

構(gòu)建液壓缸支架三維模型[3]如圖1所示。圖1(a)為傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu),肋板多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜:圖1(b)為優(yōu)化結(jié)構(gòu),采用較軸孔與立板直接連接,去除了肋板,減少了焊接結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)簡單化。

液壓缸支架由○235-A焊接構(gòu)成,在有限元分析軟件中設(shè)定材料屬性[4],如表1所示。

文中通過so1idworks2015構(gòu)建三維模型[5],并導(dǎo)入ANsYsworkbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6],劃分結(jié)果如圖2所示。

有限元分析時首先需對模型設(shè)定適當(dāng)?shù)慕佑|形式。ANsYsworkbench具備五種裝配體接觸形式,分別為:綁定、不分離、有摩擦、無摩擦及粗糙[7]。根據(jù)實(shí)際使用情況,本文采用綁定接觸形式模擬支架部件失效前兩焊接面接觸形式,即無滑動或分離。

定義接觸形式后需對模型施加適當(dāng)邊界條件,進(jìn)而模擬實(shí)際工況下受力情況[8]。對設(shè)備施加500kN載荷,液壓缸與支架為銷軸連接,支架銷軸孔受500kN水平壓力。通過螺栓組將底板和側(cè)液壓缸支架固連,底板為固定約束,支架載荷約束模型如圖3所示。

1.2受力分析

傳統(tǒng)形式與優(yōu)化后形式支架受載后變形均為自上而下減小,頂部由于受力集中,變形量最大,兩種形式最大變形量分別為0.58mm及0.82mm。支架等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

傳統(tǒng)支架最大等效應(yīng)力位于銷軸孔-螺栓連接處,為324.45MPa,超過材料屈服應(yīng)力235MPa,此時為避免壓潰需增加材料厚度或改用新材料:銷軸孔板最大應(yīng)力值為108~324MPa,應(yīng)適當(dāng)增加較軸孔板的厚度:液壓缸軸線方向1/3肋板受力值為36~144MPa,垂直軸線方向肋板受力相對較小,可忽略。由此可知,傳統(tǒng)形式支架經(jīng)改進(jìn)可滿足應(yīng)用需求,但無法充分利用材料的許用應(yīng)力,增加成本,也使支架整體質(zhì)量偏大。

優(yōu)化后支架最大等效應(yīng)力為233.48MPa,小于材料屈服應(yīng)力,與傳統(tǒng)形式支架相比,最大等效應(yīng)力降低28%。同時較軸孔板受力有所降低,為25~233MPa:其余部分鋼板應(yīng)力值大多小于155MPa。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后支架不僅可以滿足使用要求,且可將材料的許用應(yīng)力完全利用,有效節(jié)約了材料,控制了生產(chǎn)成本。

2螺栓組連接受力分析及強(qiáng)度校核

2.1螺栓組連接的受力分析

液壓缸支架底板結(jié)構(gòu)及受力簡圖如圖5所示。傾覆力矩為M,通過m-m軸線并垂直于接合面的對稱平面。圖5(b)中支架在無傾覆力矩M時,螺栓在預(yù)緊力F0作用下有所伸長,地基或底座在F0作用下壓縮。如圖5(c)所示,加載傾覆力矩M后,底板繞軸線0-0轉(zhuǎn)動一定角度,此時軸線左側(cè)螺栓進(jìn)一步拉伸,底座放松:右側(cè)相反。

上述過程可通過單個螺栓-底座的受力和變形情況進(jìn)行說明,如圖6所示。為簡化計算,將底板和底座之間作用力等效為施加于各螺栓中心的集中力,螺栓和底座變形分別以0bA和0mA表示。

在未施加M之前底座、螺栓工作點(diǎn)均為A點(diǎn),支架底板合力為0:施加M后,軸線右側(cè)螺栓工作點(diǎn)移至B2點(diǎn),底座工作點(diǎn)移至C2點(diǎn),底板上兩者合力與載荷Fm相等,方向向上:在軸線左側(cè),螺栓工作點(diǎn)移至B1點(diǎn),底座工作點(diǎn)移至C1點(diǎn),底板上兩者合力為螺栓工作載荷F,方向向下,載荷F與Fm大小相同。傾覆力矩等于作用于兩側(cè)底板合力矩,即:

因此,螺栓最大工作載荷為:

式中,Z為螺栓總數(shù):Li為螺栓與底板軸線之間距離。

為避免螺栓-底板接合面最大受壓處被壓潰,應(yīng)對接合面底板壓應(yīng)力最大值進(jìn)行校核,即:

式中,ap為受載前預(yù)緊力產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力(MPa):Aapmax為受載后接合面產(chǎn)生的附加擠壓應(yīng)力最大值(MPa):[ap]為許用擠壓應(yīng)力(MPa):A為接合面面積(mm2)。

為避免受壓最小處存在間隙,應(yīng)當(dāng)校核受載后最小壓應(yīng)力大于0,即:

對于剛性較大的底座,螺栓剛度相對較小,因此Aapmax可近似為:

式中,W為有效抗彎截面系數(shù)。

2.2螺栓組連接強(qiáng)度校核

按照螺栓連接類型、裝配情況、載荷狀態(tài)確定螺栓受力及其最大值,并依照強(qiáng)度條件對螺栓組強(qiáng)度進(jìn)行校核。由式(2)計算可得螺栓最大拉應(yīng)力,除此之外,螺栓受螺紋摩擦力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。因此,在進(jìn)行強(qiáng)度校核時應(yīng)對拉應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力進(jìn)行綜合分析。

螺栓危險截面所受拉應(yīng)力為:

式中,d1為螺栓小徑(mm)。

對于普通螺栓,其危險截面切應(yīng)力為:

螺栓材料為塑性材料,由第四強(qiáng)度理論可得螺栓強(qiáng)度條件為:

式中,[α]為螺栓許用應(yīng)力(MPa)。

3結(jié)語

針對傳統(tǒng)液壓缸支架存在的焊接變形和整體質(zhì)量較大等問題,對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)焊接部件少,減少了焊接變形,簡化了工藝,提高了生產(chǎn)效率。利用solidworks構(gòu)建了傳統(tǒng)形式和優(yōu)化形式支架的三維模型,并通過ANsYsworkbench進(jìn)行有限元分析。由分析結(jié)果可知,傳統(tǒng)形式支架通過增加鋼板厚度無法提升強(qiáng)度,且造成了材料浪費(fèi):而通過等應(yīng)力理論對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,能夠減輕設(shè)備質(zhì)量,降低成本,提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,這為其他受力相似支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。