基于ANSYS的拖拉機液壓氣動系統結構設計和仿真

謝忠華

(武漢職業技術學院 機電工程學院，武漢 430074)

0 引言

拖拉機氣動系統液壓缸是將液壓能轉換為機械能的重要部件，液壓缸的強度、剛度、穩定性和使用壽命對液壓傳動系統的影響非常大，如果設計不合理容易出現爆裂和扭曲等失效形式，從而造成嚴重的損失。如果僅僅盲目的加大液壓缸的壁厚和端部厚度，不僅會造成液壓缸體積過大，還加大了液壓缸的安裝難度，其加工制造也非常麻煩。因此，拖拉機氣動液壓缸體設計時的分析和校核非常關鍵，ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數 CAD 軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的高級 CAE 工具之一。為此，將ANSYS分析軟件應用在液壓缸結構分析和校核過程中，以提高液壓缸的設計準確性和效率。

1 拖拉機液壓氣動傳動系統

隨著現代拖拉機自動化程度的提升及噸位的不斷提高，液壓氣動傳動系統被越來越多地應用在傳動系統中，液壓氣動傳動系統的核心部件是液壓缸。液壓缸可以將存儲的液壓能轉換為機械能，從而使拖拉機的執行部件做直線往復運動或者擺動，其結構相對簡單，但可靠性較高，傳動間隙小，運動平穩。液壓缸輸出的動力和其結構有關，包括液壓差和活塞的有效面積。液壓缸的結構如圖1所示。

圖1 液壓缸體結構示意圖Fig.1 The schematic structure diagram of hydraulic cylinder

液壓缸體主要由液壓缸體、活塞和活塞桿、密封與緩沖裝置及排氣裝置等組成。其中，排氣和緩沖裝置在一些場合可以省略，重型拖拉機在剎車系統和動力系統中都會用到氣動液壓缸。液壓缸主要有4種結構形式，包括活塞式、柱塞式、伸縮式和擺動式。

1)活塞式。單活塞式是最常用的氣動液壓活塞式液壓缸，主要是在一端有活塞桿，在兩端的進出油口可以回油或者通入壓力油，從而使裝置做雙向運動，活塞式純粹單向運動，因此復位是由外力來完成的。

2)柱塞式。柱塞液壓缸體和活塞式液壓缸體有一些類似，其運動形式都是單方向的，要實現復位需要依靠外力來完成，柱塞式液壓缸體缸套只起支撐作用，加工難度較小，適用于較大行程的液壓缸體。柱塞式的液壓缸體在作業時總會收到壓力的作用，其放置水平需要考慮盡量避免水平放置造成的單邊磨損，而垂直放置更加有利。

3)伸縮式。伸縮式液壓缸體是一種較為靈活的活塞伸縮式液壓缸，活塞具有二級或者多級，按照順序活塞進行伸出和縮回。由于缸體具有伸縮性，其可以用于較長行程的液壓傳動系統，多級活塞還可以逐次運動，輸出均勻變化的速度。

4)擺動式。擺動式的氣動液壓缸可輸出扭矩，也可以成為液壓馬達，分為單片式和雙片式。其將定子安裝在缸體上，葉片和轉子一起旋轉，帶動轉子做往復性的運動。

為了簡化有限元的仿真難度，本次選用柱塞式拖拉機氣動液壓缸體作為研究對象，對該裝置進行三維建模和仿真分析，以驗證有限元分析在拖拉機氣動構建設計中應用的可行性。

2 有限元建模和模擬條件

有限元建模是拖拉機液壓氣動系統設計和仿真的前提，利用理論分析和實際應用條件分析兩種分析手段，確定氣動液壓缸體仿真的條件。利用ANSYS有限元分析可以從結構的各個方面對液壓缸體進行性能分析和評估，從而設計出成本低而質量好的產品，其流程如圖2所示。

圖2 液壓缸體ANSYS仿真分析流程Fig.2 Simulation and analysis process of hydraulic cylinder ANSYS

氣動液壓缸體三維模型的建立主要采用Pro/E軟件，利用Pro/E和ANSYS之間的接口可以直接將其建立的模型導入，不用間接輸出文件再導入，從而保證了模型導入的準確性。為了方便網格的劃分，在建模時將一些結構復雜的凸臺和倒角等直接去掉，并通過布爾操作修整模型；為了降低網格數量，加快計算速度，將模型建立成對稱分布的結構實體。

本次仿真材料選用45鋼，直接選用了材料的實際彈性模量和泊松比，利用空間四面體SOLID92單元對拖拉機氣動液壓缸體進行了網格劃分，這種單元形式利用二次方位移可以實現較為復雜的網格劃分。網格形式采用MESHTOOL 的自由網格，對缸體的關鍵部位如缸體連接處進行了網格加密。模型的約束施加在缸體的端面上，在底部和缸體內圓面上施加了氣動載荷，

在進行有限元分析時，可以利用有限元網格劃分將氣動液壓缸體劃分為n個有限體，各個有限體積通過網格節點進行連接，每個有限體被稱為有限單元，從而組成了有限元模型。假設第j個有限單元的長度為j，包含了的節點為第j、j+1個，則單元的位移為

(1)

其中，uj為第j節點的位移；xj為第j節點的坐標；Lj為有限體的長度。假設第j個單元的應變為εj，應力為σj，內力為Nj，則

(2)

(3)

(4)

其中，E為彈性模量。為了利用有限元分析求出模型的變形，通過一個近似的表達式建立力F與位移s的關系為

{F}α=[K]α{s}

(5)

其中，[K]為材料的剛度。在實際計算時，需要對拖拉機氣動液壓缸體整體的模型進行分析，模型的各個有限單元體直接需要建立相關的節點關系，然后通過載荷和節點之間的關系，對模型的受力分布和位移進行仿真，其原理如圖3所示。

如圖3所示：在進行有限元分析時，在有限元網格之間的節點i處采用集中力載荷，每個節點都和3個單元連接，利用隨機有限元方法將載荷隨機分布在單元體上，以此類推，將載荷傳遞給每個有限單元體。

圖3 模型分析實例示意圖Fig.3 The example schematic diagram of model analysis

在ANSYS軟件中，模型建立完成后便可以設置材料的具體參數，材料的彈性模型和泊松比可以在一個窗口進行設置，本次設置的彈性模量為2.06×1011Pa(見圖4)，泊松比為0.29，材料的密度屬性設置如圖5所示。

圖4 液壓缸體材料彈性模量設置Fig.4 The elastic modulus setting of hydraulic cylinder material

圖5 液壓缸體材料密度設置Fig.5 Material density setting of hydraulic cylinder

圖5設置的密度為7.85×103kg/m3，材料設置完成后可以根據設計載荷和實際工作載荷及實際約束條件對邊界進行設置。設備的載荷條件如表1所示。

表1 設備載荷參數條件Table 1 The load parameter condition of equipment

在實際有限元分析時，應選用工作載荷進行計算，但為了保證設計的可靠性，本次選用設計載荷進行計算，將載荷作為邊界條件施加到缸體邊界上進行計算。

3 拖拉機氣動液壓缸體有限元仿真分析

為了實現拖拉機氣動液壓缸的三維仿真模擬，利用Pro/E軟件對拖拉機氣動液壓缸進行了三維模型的建立。在Pro/E軟件下，拖拉機氣動液壓缸三維模型圖如圖6所示。

圖6 氣動液壓缸三維模型Fig.6 Three-dimensional model of pneumatic hydraulic cylinder

由于模型較為復雜，在實際進行網格劃分時，將螺紋和倒角直接去掉，采用四面體網格形式對結構進行了網格劃分，劃分結果如圖7所示。

圖7 網格劃分示意圖Fig.7 The schematic diagram of grid partition

在網格的連接處對網格進行了加密，整體網格采用四面體單元，網格劃分完成后將第2節的邊界條件施加到邊界單元體上后，通過ANSYS分析計算可以得到仿真分析結果。

圖8為在1階頻率時的仿真分析結果，通過圖8可以看出：在1階頻率時如果發生共振時的最大位移為0.06cm。在2階固有頻率時，仿真分析結果如圖9所示。

圖8 1階固有頻率仿真分析結果Fig.8 Simulation analysis results of first order natural frequency

圖9 2階固有頻率仿真分析結果Fig.9 Simulation analysis results of second order natural frequency

由分析結果表明：在2階固有頻率時如果發生共振其最大位移達到了0.5cm，在位移較大時會影響氣動液壓缸體的正常工作，因此在設計時需要考慮使裝置盡量避免發生在2階固有頻率的共振，可以采用在裝置一些部位施加質量塊的方法，從而提高裝置的可靠性。

4 結論

為了提高拖拉機氣動液壓缸體的設計效率和設計準確性，將ANSYS有限元分析軟件和 Pro/E建模軟件應用到了拖拉機氣動液壓缸的結構分析過程中，從而有效地縮短了設計時間，降低了設計成本。對液壓缸體的類型和實際工作條件進行了分析，確定了液壓缸體的結構和工作載荷，利用 Pro/E軟件建立了液壓缸體的三維模型，并在ANSYS軟件中劃分了網格，根據工作載荷設置了邊界條件。最后，利用ANSYS分析模塊對結構的應變進行了求解，得到了在最大工作載荷狀態下，液壓缸1階和2階固有頻率時的最大位移，為液壓缸體裝置的優化提供了重要的數據參考。