第三章 自卸车用液压油缸有限元分析

　　1、有限元分析软件ANSYS

　　(1)ANSYS简介及其应用

　　ANSYS公司成立于1970年，创始人是美国匹兹堡大学力学教授John Swanson博士，总部位于美国的匹兹堡，目前是世界上CAE行业最大的公司。近40年来，ANSYS公司一直致力于分析设计软件的维护、开发及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法跟计算机技术，领导着有限元分析的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。ANSYS公司于1995年5月在设计分析类软件中第一个通过了ISO9001的质量体系认证。

　　ANSYS软件是融结构、流体、磁场、声场、电场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它能与大多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。可在大多数计算机及操作系统中运行，从微型到工作站直至巨型计算机，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工、航天航空、机械制造、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究。

　　(2)ANSYS软件的组成

　　前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构建有限元模型。

　　分析计算模块：这里面包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

　　后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形显示方法显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　(3)ANSYS软件的功能

　　基本模块

　　结构静力分析。用来求解外载荷引起的位移、应力和力，静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且还可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

　　结构动力学分析。结构动力学分析用来求解随时间的变化的载荷对结构或部件的影响，与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析和随机振动响应分析。

　　结构非线性分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例的变化，ANSYS程序可求解瞬态和静态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

　　动力学分析。ANSYS软件可以分析大型三维柔体运动，当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

　　热分析。程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和溶解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的耦合分析能力。

　　电磁场分析。主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损监测装置等的设计和分析领域。

　　流体动力学分析。ANSYS流体单元能能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率，并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

　　声场分析。程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分析，或预测水对振动船体的阻尼效应。

　　压电分析。用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

　　高级模块

　　多物理场耦合分析。如果两个物理场之间相互作用，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，需要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。例如在火灾分析时，需要同时求解温度场和应力。

　　优化设计。优化设计是一种寻找确定最优方案的技术，设计方案的任何方面都是可以优化的，例如尺寸、材料、形状等。实际上所有可以参数化的ANSYS选项都可以作为优化设计。

　　拓扑优化。拓扑优化是指形状优化，有时也称为外形优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷和多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为最大刚度设计，用户只需给出结构的参数和要省去的材料百分比，程序就能自动进行优化。

　　(4)ANSYS软计的特点

　　唯一能实现多场及多场耦合分析的软件。

　　唯一能实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。

　　唯一具有多物理场优化功能的FEA软件。

　　具有强大的非线性分析功能。

　　多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。

　　支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容。

　　强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行。

　　多种自动网格划分。

　　良好的用户开发环境。

　　(5)ANSYS软件的图形用户界面

　　ANSYS的图形用户界面如图3-1所示，包括多个窗口，通过这些窗口可以非常方便的输入命令、建立模型、检查模型、分析计算、观察分析结果及实现图形输出与打印等。

　　ANSYS用户界面

　　实用菜单

　　实用菜单为下拉式菜单，包括了ANSYS的各种操作命令，如文件控制(file)、对象选择(select)、数据列表(list)、图形显示(plot)、显示控制(plotctrls)、工作平面设定(workplane)、参数化设计(parameters)、宏命令(macro)、菜单控制(menuctrls)以及帮助(help)。

　　主菜单

　　主菜单中包括各种功能命令，包括前处理、求解器、通用后处理、时间历程后处理、优化设计等。执行不同菜单项将会得到不同结果，如前处理模块单元定义、实常数定义、材料定义、界面定义、几何模型定义及网格划分等。

　　工具栏

　　工具栏包括一些常用的命令和函数，是执行命令的快捷方式，分为标准工具栏和ANSYS工具栏。在工具栏中，用户可以根据自己要求自己定义屏幕功能按钮，以提高工作效率。

　　输入窗口

　　一般而言，使用鼠标及菜单的工作效率比较高，而且不用记忆命令，如果用户习惯输入命令的操作，可在输入窗口直接输入命令。

　　图形窗口

　　图形窗口是显示所有前后处理图形的窗口，如同大多数CAE软件一样，ANSYS软件可以同时打开多个图形窗口，并可进行各种缩放及位置安排。

　　输出窗口

　　输出窗口是位于ANSYS其它窗口之后的另一个以文本形式显示命令执行结果的窗口，其显示包括注释、警告、错误及其他列表信息。在windows环境下，可以将输出窗口内任何数据标记起来，并复制到其他文本处理软件，进行进一步的编辑。

　　(6)ANSYS分析基本步骤

　　分析问题。在遇到一个分析问题时，通常要考虑该问题所在的学科领域、分析该问题所要到达的目标等分析方案，制定分析方案也是很重要的。制定的分析方案好坏直接影响分析的精度和成本，但通常情况下精度和成本是相互冲突的，特别是分析较大规模和具有切割边界的模型时更为明显，所以分析问题一定要慎重。

　　建立有限元模型。建立有限元模型可以直接在ANSYS中建立也可将在其他软件画的三维模型导入到ANSYS中，导入模型过程中一定要检查模型是否符合ANSYS要求，不然在后期分析中会遇到很多问题。导入完模型后，再对模型进行单元属性的设定，例如密度、泊松比、弹性模量等数据。接着就是对模型进行网格划分，网格划分一般视模型而定，但大多数都是智能网格划分。

　　施加载荷和约束。网格划分完毕后，就可按照问题里所要求的来对模型施加载荷和约束，在施加过程中切记要分析载荷类型和约束条件。

　　求解。最后一步就是求解，对求解出来的结果进行分析得出想要的数据。

　　2、液压油缸的有限元分析

　　(1)三维模型的导入

　　要将用Creo软件建立的三维模型导入到ANSYS中必须先要更改格式，这里我们需要导入IGES格式的三维模型。首先要将建好的三维模型在Creo中打开，然后在Creo中把这个三维模型另存为IGES格式的保存到工作目录下，接下来就是怎么把这个格式的三维模型导入到ANSYS中。

　　首先，打开ANSYS软件清除ANSYS的数据库，然后更改作业名为“example1-1”，选择使用菜单Main Menu：File-Import-Iges，在打开的Import IGES File对话框中，按OK，打开Import IGES File对话框，选择Browse...，在浏览对话框File to import中，选择actuator.iges，然后open，得到输入模型的结果，如图3-2所示。

　　3-2 模型导入效果图

　　(2)模型的网格划分

　　模型导入后，需要网格划分，它涉及到以下四个方面：

　　选择单元属性(单元类型、实常数 、材料属性)。

　　设定网格尺寸控制(控制网格密度)。

　　网格划分前要保存数据。

　　执行网格划分。

　　由于液压油缸的材料为27SiMn调制管，根据相关资料和查表可得到：27SiMn这种钢的性能优于30Mn2钢，淬透性较高，在水中临界淬透值达8-22mm，可切削性良好，冷变形塑性及焊接性中等，另外钢在热处理时韧性减低不多，但却有相当高的强度和耐磨性，特别是水淬时仍有较高的韧性;但是此钢对白点敏感性大，热处理时有回火脆性倾向及过热敏感性，这种钢主要是在调制状态下使用的。27SiMn的性能主要有：弹性模量为209.72GPa，泊松比为0.28，密度为7800KG/m3。

　　根据上面所给的数据，现在就可以进行网格划分了。首先，先要定义单元类型，在进行有限元分析时，首先要先根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型，本次分析中选用的是四节点四边形单元PLANE182，具体步骤如下：

　　单击ADD...按钮，将打开Library of Element Type(单元类型库)。

　　在列表中选择Solid选项，选择实体单元类型。

　　在列表框中选择Quad 4 node 182选项，选择四节点四边形板单元PLANE182。

　　单击OK按钮，将PLANE182添加，并关闭单元类型对话框。

　　单击Options按钮，打开单元选项设置对话框，对PLANE182单元进行设置。

　　在Element behavior(单元行为方式)下拉列表框中选择Axisymmetric(轴对称)选项。

　　单击OK按钮，接受选项，关闭单元选项设置对话框。

　　单击Close按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。

　　单元类型定义完毕后，就可以开始定义材料属性，本次分析的对象不需要定义实常数，故可略过定义实常数这一步而直接定义材料属性。具体步骤如下：

　　从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor-Material Props-Material Model命令，将打开Define Material Model Behavior(定义材料模型属性)窗口。

　　依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic，展开材料属性的树形结构，将打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框。

　　在对话框的EX文本框中输入弹性模量2.09e11，在PRXY文本框中输入泊松比0.28。

　　单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的材料属性。

　　依次单击Structural-Density，打开定义材料密度对话框。

　　在DENS文本框中输入密度数值7.8e3。

　　单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏的材料属性下方出现密度项。

　　退出定义材料模型属性窗口，完成对材料模型属性的定义。

　　材料属性定义完成后就可开始网格划分，要进行网格划分，选择主菜单Main Menu：preprocessor-Meshing-MeshTool，在对话框中选择smart size然后移动滚条设置数值为4，选择Mesh域中的Volumes，单击Mesh，打开对话框，要求选择要划分的体，单击Pick ALL按钮，网格划分效果图如3-3所示。

　　3-3 网格划分效果图

　　(3)对液压油缸施加载荷

　　载荷是指加在有限单元模型(或实体模型，但最终要将载荷转化到有限元模型上)上的位移、力、温度、热、电磁等。施加载荷时必须考虑下面几个问题：

　　分析载荷类别。与其他单个分析因素相比，选择合适的载荷对分析结果的影响更大，而将载荷添加到模型上一般比确定是什么载荷要简单的多，所以施加载荷的关键在于确定载荷的类别。

　　载荷分类。载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用，一般可以分成以下几类：自由度约束——就是给某个自由度指定一已知数值(值不一定为零)， 在

　　结构分析中就是固定位移(零或者非零值)。例如指定对称性边界条件或者称作“built-in”边界条件、指定刚体位移、热分析中的指定温度。

　　集中载荷——就是作用在模型的一个点上的载荷，实际中上是没有真正的集中载荷的，此载荷是对实际中比较集中的一种抽象。例如结构分析中的力和弯矩、热分析中流率。

　　面载荷——就是作用在单元表面上的分布载荷，面载荷涉及到梯度的概念。例如结构实体单元的切向(或其它方向)压力、实体热单元的辐射描述。

　　体载荷——是分布于整个体内或场内的载荷。例如结构分析中的温度载荷、热分析中生热率、电磁场分析中电流密度。体载荷分布一般都很复杂，必须通过其他分析才能得到，例如通过热应力分析获得温度分布。在某些情况下，体载荷是由当前分析结果决定的，这就需要进行耦合场分析。

　　惯性载荷——是由物体的惯性(质量矩阵)引起的载荷，例如重力加速度、加速度以及角加速度。惯性载荷还具有以下几个特点：惯性载荷只有结构分析中存在，惯性载荷是对整个结构定义的，是对于实体模型和有限元模型的，考虑惯性载荷就必须定义材料密度。

　　添加载荷应遵循的原则：简化的假定越少越好，使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合，如果没法做的更好，只要其他位置结果正确也是可以认为是正确的，但是必须忽略“不合理”边界附近的一定区域内的应力，加载时，必须十分清楚各个载荷的施加对象，除了对称边界外，实际上不存在真正的刚性边界，不要忘记泊松效应，添加刚体运动约束，但不能添加过多的其他约束，一块二维平面应力、平面应变、梁或杆模型至少需要3个约束，轴对称模型至少需要一个轴向约束，三维实体或壳模型至少需要6个约束，实际上，集中载荷是不存在的，然而，只要不关心集中载荷作用区域的应力，完全可以把集中载荷添上，轴对称模型具有一些独一无二的边界特性，在360度的基础上输入集中力和输出反力，载荷大小等于整个周向力的总和，轴对称实体结构，像实体杆件，应当约束对称轴方向上的自由度UX，限制理论上可能存在的不真实零变形。

本文中所采用的自卸车型号见图3-4，由图可知自卸车满载时总质量为25吨，这次主要分析的是自卸车处于两种工况时的状态，这两个工况分别为：1、自卸车一个轮子悬空其他轮子着地2、自卸车两个轮子悬空其他轮子着地。经过计算可得当一个轮子悬空时液压油缸所受到的弯矩为6.8106Nmm，当两个轮子悬空时液压油缸所受到的弯矩为8106Nmm，计算液压油缸所受弯矩主要用到的数据是满载时自卸车的质量然后分别分析两种工况时的受力，最后就能得出上面的两个弯矩。计算完弯矩后还需计算出施加在活塞杆上的力，自卸车满载时载重为12吨，自卸车最大倾斜角为45度，所以分布在活塞杆上的力为：

F0N

　　液压油缸的弯矩计算出来后，就可以在模型上进行加载，施加载荷的主要步骤如下： 第一个缸筒的底座施加约束。从主菜单中选择Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On lines，拾 取与自卸车铰接部分的边界线，单击OK，选择ALL DOF作为约束自由度，单击OK。

　　在液压油缸内壁施加载荷。从主菜单上选择Main-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Pressure-On Areas，选择整个液压油缸的内壁，单击OK，在对话框中输入需要施加的25Mpa的载荷，单击OK。

　　在活塞杆上施加一个压力。从主菜单上选择Main-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Pressure-On Areas，选择活塞杆上最上面突起部分的顶面，单击OK，在对话框中输入需要施加的载荷，单击OK。

　　液压油缸施加弯矩。可以将弯矩等价成力与力臂的乘积，也就是将施加弯矩等效为施加力。

　　3-4 自卸车型号

　　全部载荷施加完毕后，效果如图3-5、3-6所示。在施加载荷过程中，内壁压力比较好施加，就是在选取内壁的时候有点麻烦，有时会漏掉一些部分。容易出问题的地方在施加弯矩上，施加弯矩的方法主要有以下五种：

　　将矩转换成一对的力偶，直接施加在对应的节点上面。

　　在构件中心部位建立一个节点，定义为mass21单元，然后跟其他受力节点耦合，形成刚性区域，就是用cerig命令。然后直接加转矩到主节点，即中心节点上面。

　　使用mpc184单元。是在构件中心部位建立一个节点,跟其他受力节点分别形成多根刚性梁，从而形成刚性面。最后也是直接加载荷到中心节点上面，通过刚性梁来传递载荷。

　　通过rbe3命令。该方法与方法2很接近。

　　基于表面边界法：主要通过定义一个接触表面和一个目标节点接触来实现，弯矩荷载可以通过在目标节点上用“F”命令施加。