基于有限元分析的液压缸支架结构优化设计

引言

液压缸、绞车及电动推杆等广泛应用于矿山等诸多行业领域,在工程实践中该部分设备需根据使用场合设计与之相应的支架进行支护或支撑。虽然支架具有不同的结构,但受力是相同的,支架在工作时主要受拉、压及倾覆力矩作用。传统支架结构大多为焊接件,存在焊接变形,消耗材料多,整体过于笨重,工艺流程和运输过程更为繁杂,生产效率低等问题[2]。针对传统液压缸支架存在的诸多问题,本文对支架结构进行了优化,在提升生产效率的同时控制了生产成本,也为其他支架结构的设计提供了一定的理论借鉴。

1有限元分析

1.1结构优化与ANsYs建模

构建液压缸支架三维模型[3]如图1所示。图1(a)为传统支架结构,肋板多、结构复杂:图1(b)为优化结构,采用较轴孔与立板直接连接,去除了肋板,减少了焊接结构,使结构简单化。

液压缸支架由○235-A焊接构成,在有限元分析软件中设定材料属性[4],如表1所示。

文中通过so1idworks2015构建三维模型[5],并导入ANsYsworkbench进行网格划分[6],划分结果如图2所示。

有限元分析时首先需对模型设定适当的接触形式。ANsYsworkbench具备五种装配体接触形式,分别为:绑定、不分离、有摩擦、无摩擦及粗糙[7]。根据实际使用情况,本文采用绑定接触形式模拟支架部件失效前两焊接面接触形式,即无滑动或分离。

定义接触形式后需对模型施加适当边界条件,进而模拟实际工况下受力情况[8]。对设备施加500kN载荷,液压缸与支架为销轴连接,支架销轴孔受500kN水平压力。通过螺栓组将底板和侧液压缸支架固连,底板为固定约束,支架载荷约束模型如图3所示。

1.2受力分析

传统形式与优化后形式支架受载后变形均为自上而下减小,顶部由于受力集中,变形量最大,两种形式最大变形量分别为0.58mm及0.82mm。支架等效应力云图如图4所示。

传统支架最大等效应力位于销轴孔-螺栓连接处,为324.45MPa,超过材料屈服应力235MPa,此时为避免压溃需增加材料厚度或改用新材料:销轴孔板最大应力值为108~324MPa,应适当增加较轴孔板的厚度:液压缸轴线方向1/3肋板受力值为36~144MPa,垂直轴线方向肋板受力相对较小,可忽略。由此可知,传统形式支架经改进可满足应用需求,但无法充分利用材料的许用应力,增加成本,也使支架整体质量偏大。

优化后支架最大等效应力为233.48MPa,小于材料屈服应力,与传统形式支架相比,最大等效应力降低28%。同时较轴孔板受力有所降低,为25~233MPa:其余部分钢板应力值大多小于155MPa。结构优化后支架不仅可以满足使用要求,且可将材料的许用应力完全利用,有效节约了材料,控制了生产成本。

2螺栓组连接受力分析及强度校核

2.1螺栓组连接的受力分析

液压缸支架底板结构及受力简图如图5所示。倾覆力矩为M,通过m-m轴线并垂直于接合面的对称平面。图5(b)中支架在无倾覆力矩M时,螺栓在预紧力F0作用下有所伸长,地基或底座在F0作用下压缩。如图5(c)所示,加载倾覆力矩M后,底板绕轴线0-0转动一定角度,此时轴线左侧螺栓进一步拉伸,底座放松:右侧相反。

上述过程可通过单个螺栓-底座的受力和变形情况进行说明,如图6所示。为简化计算,将底板和底座之间作用力等效为施加于各螺栓中心的集中力,螺栓和底座变形分别以0bA和0mA表示。

在未施加M之前底座、螺栓工作点均为A点,支架底板合力为0:施加M后,轴线右侧螺栓工作点移至B2点,底座工作点移至C2点,底板上两者合力与载荷Fm相等,方向向上:在轴线左侧,螺栓工作点移至B1点,底座工作点移至C1点,底板上两者合力为螺栓工作载荷F,方向向下,载荷F与Fm大小相同。倾覆力矩等于作用于两侧底板合力矩,即:

因此,螺栓最大工作载荷为:

式中,Z为螺栓总数:Li为螺栓与底板轴线之间距离。

为避免螺栓-底板接合面最大受压处被压溃,应对接合面底板压应力最大值进行校核,即:

式中,ap为受载前预紧力产生的挤压应力(MPa):Aapmax为受载后接合面产生的附加挤压应力最大值(MPa):[ap]为许用挤压应力(MPa):A为接合面面积(mm2)。

为避免受压最小处存在间隙,应当校核受载后最小压应力大于0,即:

对于刚性较大的底座,螺栓刚度相对较小,因此Aapmax可近似为:

式中,W为有效抗弯截面系数。

2.2螺栓组连接强度校核

按照螺栓连接类型、装配情况、载荷状态确定螺栓受力及其最大值,并依照强度条件对螺栓组强度进行校核。由式(2)计算可得螺栓最大拉应力,除此之外,螺栓受螺纹摩擦力产生扭转切应力。因此,在进行强度校核时应对拉应力及扭转切应力进行综合分析。

螺栓危险截面所受拉应力为:

式中,d1为螺栓小径(mm)。

对于普通螺栓,其危险截面切应力为:

螺栓材料为塑性材料,由第四强度理论可得螺栓强度条件为:

式中,[α]为螺栓许用应力(MPa)。

3结语

针对传统液压缸支架存在的焊接变形和整体质量较大等问题,对支架结构进行了优化。优化后结构焊接部件少,减少了焊接变形,简化了工艺,提高了生产效率。利用solidworks构建了传统形式和优化形式支架的三维模型,并通过ANsYsworkbench进行有限元分析。由分析结果可知,传统形式支架通过增加钢板厚度无法提升强度,且造成了材料浪费:而通过等应力理论对支架结构进行优化,能够减轻设备质量,降低成本,提升企业经济效益,这为其他受力相似支架的结构设计提供了理论指导。