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液压悬浮立柱抗冲击性能分析
The shock resistance analysis of hydraulic suspension column
魏耿赞,李炳文,李亚飞
WE Geng-zan, LI Bing-wen, LI Ya-fei
(中国矿业大学机电工程学院,徐州221116)
摘要:运用流固耦合分析方法,模拟液压悬浮立柱的实际工况。利用 ABAQUS软件,结合SPH粒子
法,对立柱内部液体采用无网格粒子法划分模型,对缸体及活柱进行有限元网格划分,在冲
击载荷作用下,得出立柱缸体的应力分布以及立柱内液体压强的变化情况,买现了立柱在冲
击载荷作用下动态响应的数值模拟。
关键词:液压悬浮立柱;抗冲击性能;有限元分析;流固耦合;SPH粒子法
中图分类号:TH137
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2015)03(下)-0054-03
Di:10.3969/.ssn.1009-0134.2015.03(下).17
0引言
2立柱模型的前处理
液压悬浮立柱在实际工作中,既包含流体,又包含
2.1模型材料的定义
固体,如果单纯的采用传统的有限元分析方法,并不能
真实模拟实际工况,目前普遍采用流固耦合技术。流固
模型导入后,定义各部分材料属性。活柱和缸体为
27SiMn,立柱的工作液体主要为乳化液,其95%的成分
耦合是研究流体与固体之间相互作用的一『门学科,是流
为水,因而近似用水的属性来替代乳化液。液体属性的
体力学与固体力学相结合的一门学科。对于悬浮立柱的
抗冲击性能分析,在固体域采用带有网格有限元分析方
定义采用状态方程来描述,通过状态方程可以得到液体
内能的变化情況,液体压力作用在活柱和缸体上,随着
法,而对流体域的分析,则采用SPH粒子法。
外界载荷变化而变化。
SPH方法是一种新型拉格朗日算法,该方法基于插
值原理,并运用核估算式把偏微分方程转化为积分方程22网格划分和单元类型的选择
的形式,通过一系列离散粒子的总和,在数值上逼近真
为提高分析效率,设置稳定增量步长为le-6,网格
实结果。在SPH方法中,这些离散粒子的运动被当做流的划分需要两种单元类型。活柱和缸体都是实体,均采
体的运动,流体动力学方程中的能量守恒、质量守恒、用C3D8R八点线性六面体单元,内部工作液体采用拉格
和动量守恒方程都被转化为力学和热力学的形式。由于朗日粒子单元PC3D。网格划分结果如图1和图2所示。
采用了离散的粒子而非网格结构,故有效避免了大变
形问题中网格畸变和重构等问题,使其计算精度得到
了很大的提高。本文主要是基于上述理论与方法,在
ABAQUSI中,对液压悬浮立柱进行抗冲击性能分析。
图1活柱和缸体的六面体单元网格
1立柱冲击模型的建立
在Pro/ ENGINEER中,建立液压悬浮式立柱的三维
模型,为方便在 ABAQUS中进行分析,简化了立柱模
型,建立3个部件,分别为内部液体、活柱以及缸体。
同时,为提高网格的质量,将立柱两端铰接处修改为圆
柱体。由于本文主要是研究立柱在冲击载荷下,缸壁各
部分的受力情况,因而立柱铵接处的简化,对分析结果
的影响可以不予考虑。在Pro/ ENGINEER完成装配后,
图2工作液体的粒子单元
将装配文件导入到 ABAQUST中。
收日期:2014-09-26
作者简介:魏耿赞(1988-),男,江苏徐州人,硕土研究生,研究方向为矿山机械。
54】第37卷第3期2015-03(下)
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2.3边界条件和载荷定义
由于活柱对液体加压,高压液体要实现活柱以及缸
体的反作用,所以整个模型采用“全接触”定义方式,
即系统对全局进行自动接触识别,接触的法向行为是
b
“硬接触”,允许接触后分离。边界条件设置如下:对
ep Tiwe. 0A400
Step Ta 0 4400
缸体下端固定约束,活柱上端施加随时间变化载荷,模
棱:+10e+00
+L0+
拟压力的初始化和冲击载荷。
(a)立柱内部液体压力云图
(b)缸体应力分布图
《煤矿用液压支架第2部分:立柱与千斤顶技术条
图4立柱响应云图
件》对立柱的冲击试验作如下规定:立柱外伸至全长
75%,并在0.6倍额定工作压力撑紧,冲击重物的质量不
得小于1000kg,冲击使立柱腔内压力达到1.5倍额定工
压缩量。实际工况中,液体是由泵站供液达到高压,所
作压力,压力从初始值达到最大值的升压时间在30ms内
以不存在大的回缩量。完成加载0.44s后,立柱相对平衡
实现。根据上述试验条件,采用动态加载方式,先对立
位置回缩86.4mm,冲击作用后再一次变为逐渐衰减的
柱加载到0.6倍工作压力,继而施加冲击载荷。
振荡形式。
由于立柱内部充满液体,即便采用缓慢加载的形
式,在加载完成时,也会对立柱产生周期性的冲击,呈
震荡效果。因此需要对加载的过程作相应改进。在压力
初始化的过程中,要对立柱进行动态加载,为了尽量减
少加载时对立柱产生的冲击效果,采用Step函数。在加
载到一定值后,保持加载力不变,使液体动能释放。动
能释放一定时间后,在液体震荡的最低位置施加冲击载
A W
荷,这样能够有效避免液体震荡对仿真效果的影响。立
000050.100150.200250.30035040045050
柱的加载曲线如图3所示
Time (s)
图5活柱位移曲线
对工作液体压强和缸壁应力较大处取节点绘制曲
线,如图6和图7所示。忽略初始增压过程,从图形可以
看出,在0.44s时,工作液体压力达到63.6MPa,基本达
到了工作压力的1.5倍58.5MPa。说明仿真条件的定义满
足立柱的试验要求,仿真结果具有实用价值。同时,缸
壁的应力值达到559.8MPa,没有超过2SiMn合金钢的
屈服极限,说明本支架采用的悬浮式立柱能够抵抗冲击
载荷,满足立柱冲击试验的要求。
图3立柱加载曲线
3冲击载荷的结果分析
加载时,将立柱工作阻力换算为活柱顶部面积相适
应的压力,即0.6倍工作阻力1653kN换算为43.5MPa。如
加载曲线所示,0~0.2s从0加载到43.5MPa,0.42s开始施
加冲击载荷,0.42-0.44s突升到144MPa,即2倍工作阻
力5510kN。仿真时间0.5后,得到立柱的应力云图。如
图4所示,时间t=0.44s立柱的应力云图。
活柱在加载和冲击过程中的位移曲线如图6所示,
050.1001502002503003504
Time (s)
初始压力加载时,活柱的回缩量很大,这是因为模型中
液体初始压强为0,要达到高压状态必然会有大的体积
图6工作液体压力变化曲线
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