顾永峰1王伟平1，2闫洪峰2崔亮2王凯21中国农业机械化科学研究院北京北京金轮坤天特种机械有限公司北京
摘要：所设计的有杆飞机牵引车在更换轮胎时，支撑液压缸将代替车轮作为其主要承载部件，且液压缸需满足垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种典型工况下的强度及稳定性要求。通过有限元分析软件Ansys，采用强度及特征值屈曲分析相结合的方法对支撑液压缸进行仿真，得到结构在多工况下应力分布云图及前六阶屈曲特征值。分析结果表明，液压缸部分构件的最大应力超过许用应力值但未发生屈曲，结构不满足强度要求。因此对结构改进优化并再次分析，得到满足工况需求的液压缸，为进一步的研究提供了参考。
关键词：支撑液压缸；强度分析；屈曲分析；改进优化
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：-（）01--05
0引言所设计的有杆式飞机牵引车在更换轮胎时支撑液压缸将代替车轮支撑车身。由于工作路面不平整，车身可能发生横纵最大角度为5°的侧倾。因此，支撑液压缸在升降支撑过程中，需要满足在垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种典型工况下的强度和稳定性要求[1]。本文应用有限元分析软件Ansys对支撑液压缸在垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种典型工况下进行结构强度以及相应的特征值屈曲分析[2]，得到液压缸的最大应力值及屈曲特征值，并根据仿真结果对结构进行优化设计，最终得到满足工作需求的支撑液压缸结构[3]。
1支撑液压缸设计1.1液压缸结构所设计的转运车支撑液压缸主要由支撑底板、销轴、缸体、活塞杆组件组成，如图1所示。由静力学分析可知，液压缸在最大工作行程时，其强度及稳定性均最差[4]。为了便于后续的有限元分析，应用SolidWorks建立支撑液压缸最大行程时的三维模型，如图2所示。
1.支撑底板2.销轴3.活塞杆组件4.缸体图1升降液压缸结构组成
图2最大行程时液压缸的三维模型
1.2液压缸材料转运车有四个支撑液压缸，在满载工况下，每个液压缸的承重为60kN。根据工程经验，对液压缸各构件选取相应的机械材料，并设定安全系数为1.5。表1所示为各部分的材料及强度。
2.1分析前处理在Ansys中赋予液压缸结构各部分材料属性，并将各部分连接重新定义。比较各种网格划分方法得到的网格质量[5]，最终选自单元长度为5mm的体网格划分法，得到平均网格质量为0.92的优良网格。
为了使仿真更贴近实际工况，在支撑底板底面添加固定约束，并在缸体表面与集装箱连接处分别添加垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下载荷，如表2所示。
求解以上三种工况下支撑液压缸等效应力值，并得到相应云图。
2.2强度分析结果图3所示为支撑液压缸在垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下的整体应力分布云图。由图3可知：液压缸横、纵向侧倾时应力远大于垂直工况下应力；缸体整体应力偏小，满足强度要求；支撑底板在侧倾工况下应力较大，最大值为MPa，超过了该构件的许用应力值；液压缸的最大应力处位于侧倾工况下活塞杆与底板连接的端部，为.64MPa，不满足强度要求[6]。
(a)垂直时应力
(b)横向5°侧倾时应力
(c)纵向5°侧倾时应力图3液压缸整体应力分布云图
由于整体应力云图难以表达销轴处的强度特征，因此采用单实体应力显示的方法观察销轴在侧倾工况下的应力值，如图4所示。由销轴应力云图可知，其最大应力出现在支撑缸横向5°侧倾的工况下，为.38MPa，与结构许用应力相差不大。由有限元强度分析可知，所设计的结构在强度方面不满足工作需求，需进行优化。
(a)横向5°侧倾时应力
(b)纵向5°侧倾时应力图4销轴应力分布云图
3液压缸屈曲分析3.1特征值屈曲分析基础特征值屈曲分析又称为线性屈曲分析。应力刚度矩阵可以增强或者减弱结构的刚度，取决于刚度应力时拉应力还是压应力。当结构受压时，压力增大，弱化效应增加，当达到某个载荷时，弱化效应超过了结构的固有刚度，静刚度为零，位移无限增加，结构发生屈曲[7]。一般方程为
式中：[K]为刚度矩阵，[S]为应力刚度矩阵，λi为屈曲特征值，{ψi}为屈曲模态。
3.2载荷添加及模型求解分析可知，液压缸在垂直工况下所受轴向压力最大，因此仅对垂直时的支撑液压缸进行屈曲分析[7,8]。支撑液压缸中，缸体及活塞杆组件均属于压杆，故对缸体和活塞杆组件分别进行屈曲分析。边界条件均为一端固定一端加载，载荷为-Z方向N的力，求解得到前六阶屈曲特征值，如图5所示。
(a)缸体屈曲特征值(b)活塞杆组件屈曲特征值图5屈曲特征值
由图5知，缸体和活塞杆组件的一阶屈曲特征值分别为.4和.19，即液压缸的临界压力为.19kN。液压缸的最小稳定安全系数为2.40，由于规定的稳定安全系数为2，故结构满足稳定性要求[8]。
4改进优化4.1液压缸结构优化改进由支撑液压缸有限元强度和屈曲分析可知，液压缸的稳定性满足要求，但结构强度不足。液压缸在横向5°侧倾和纵向5°侧倾两种工况下，其最大应力超过了构件许用应力。为了增强液压缸结构强度，在底座两侧添加导向杆，并在液压缸上设计导向板结构，导向杆及导向板构件材料分别选用选用40Cr和45钢，改进后液压缸结构见图6。
1.活塞杆销2.活塞及活塞杆3.导向柱4.缸体5.导向套6.支撑底板7.导向杆销图6液压缸改进后三维图
4.2优化后强度分析根据实际工况，检查并重新定义液压缸装配体各构件之间的连接[9]：将导向套与缸体、导向套与导向杆、活塞杆与缸体之间的绑定接触删除，并重新定义为连接面之间的接触为不分离约束；将导向杆销与底座上固定座侧向的绑定接触删除，并定义为导向杆与导向杆销、导向杆销与底座上固定座之间的过渡绑定约束。修改后各部件的连接关系如图7所示。
图7液压缸各部件连接改进图
施加与优化前相同的约束与载荷，求解结构在两种侧倾工况下的应力，得到如图8和图9所示的应力分布云图。
(a)横向5°侧倾时应力
(b)纵向5°侧倾时应力图8改进后液压缸整体应力分布云图
(a)横向5°侧倾时应力
(b)纵向5°侧倾时应力
图9改进后销轴应力分布云图
改进后液压缸的最大应力从.64MPa降至.94MPa。销轴的最大应力为.97MPa，比改进前降低了61.41MPa。液压缸结构在改进后满足强度要求，结构合理[10]。
5结语对所设计的牵引车支撑液压缸进行垂直、横向5°侧倾和纵向5°侧倾三种工况下有限元强度及屈曲分析，通过分析得知液压缸满足稳定性要求，但活塞杆及销轴处应力值偏大，不满足强度要求。为此，对支撑液压缸结构进行优化设计，求解得到相应应力云图。由应力云图可知，构件最大应力显著减小且小于构件的许用应力。证明支撑液压缸结构改进的合理性，同时也为后续瞬态动力学分析强度设计提供了参考[11]。
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