摘 要

液压缸是将液压能转化为机械能的、作直线的往复运动（或摆动运动）的液压元件。它结构简单，工作可靠。按照结构分类可以分为活塞缸、柱塞缸、和摆动缸三类。液压缸不仅可以单个使用，还可以与其他机构组合起来，以实现特殊功能。在我们的日常生活中，液压缸的使用是必不可少的。无论是汽车还是工程机械，液压缸直接影响到整体的工作性能及其使用寿命。在传统设计中，液压缸的分析计算大都采用材料力学和弹性力学公式，对于液压缸的分析还没有特别准确、先进的方法，无论是应力分析，还是强度校核，都存在或多或少的缺陷。计算误差较大，应力应变情况还不能全面反映出来，无法直观的看出其变形情况是目前来说比较明显的问题^【1】，。这就需要我们利用有限元的分析方法，进一步的进行分析总结，为以后的工程设计人员提供良好的设计基础。因为采用有限元的分析法分析液压缸可以有优化结构、提高寿命、降低成本、保护设施等优点。所以这是非常有意义的一次毕业设计。

关键词：Workbench 液压缸 有限元分析 应力 稳定性

Finite Element Analysis of Hydraulic Cylinder Based on Workbench

ABSTRACT

The hydraulic cylinder is convert hydraulic energy into mechanical energy, make a straight line reciprocating movement (or oscillating motion) of hydraulic components. It has simple structure, reliable work. According to the structure of classification can be divided into piston cylinder, piston cylinder, and three types of swinging cylinder. Hydraulic cylinder can be not only a single use, can also be combined with other institutions, in order to realize the special function. In our daily life, the use of hydraulic cylinder is indispensable. Both cars and engineering machinery, directly affect the overall performance and its service life. In traditional design, the analysis of the hydraulic cylinder mostly adopts the material mechanics and elastic mechanics formula calculation, the analysis of the hydraulic cylinder is not particularly accurate, advanced methods, no matter from stress analysis, or intensity, there are more or less defects. Calculation error is larger, the stress and strain condition cannot be fully reflected, not intuitive to see its deformation is the obvious problem [1],. This needs us using finite element analysis method, further analysis of the summary, for the future engineering design personnel to provide a good foundation. Because of the finite element method analysis of hydraulic cylinder can be optimized structure and improve the service life, reduce cost, protection facilities, etc. So this makes sense a graduation design.

Key words:Workbench ;hydraulic cylinder;finite element analysis;stress;stability

目录

第一章 前言 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内对于液压缸的有限元分析成果 2

1.3 课题主要意义 3

1.4 课题研究内容 3

第二章 有限元分析和Workbench分析软件 4

2.1有限元法概述 4

2.2 Workbench软件介绍 5

本章小结 6

第三章 建立实体模型 6

3.1 定义材料及其单位制 7

3.2单元选择和网格划分 9

本章小结 11

第四章 液压缸强度分析 12

引言 12

4.1 静态中受外部压力 13

4.2 工作状态下外部受压 15

4.3 工作状态下内部自身产生压力 16

本章小结 17

第五章 液压缸模态分析 18

引言 18

5.1 模态分析的理论基础 19

5.2 装载于竖直状态下设施工作液压缸模态分析 20

5.3 水平状态下液压缸工作情况模态分析 22

本章小结 23

第六章 全文总结和未来展望 24

6.1 全文总结 24

6.2 未来展望 24

致 谢 25

参考文献 26

第一章 前言

1.1 课题研究背景

液压缸活在我国是属于制作水平落后的一项，尤其是产品的可靠性跟国外的液压缸有一定的差距。值得欣慰的是，近几十年来国内行业快速发展积累了丰富的理论和实践经验，可以说是接近国外水准^【2】。因为现在国内的市场巨大，所以在这几年的发展之下，我国的液压缸发展已经基本满足大部分机械行业和工程运用的要求。但是由于刚刚起步，所以在高端产品上还存在许多不足。并且在维护保养，检测分析上有着难以解决的难题。值得欣慰的是，近十几年来国内行业，尤其是徐工集团、三一重工、中联重科、无锡恒立等领跑企业的快速发展，积累了丰厚的理论和实践经验，基本上接近或赶上国外品牌。随着我国经济快速的发展，各类大型项目和基础性建设的投入，一个巨大的液压缸市场轮廓已经悄然形成。同时市场对产品质量、性能需求不断提高，也会促进我国液压油缸制造技术的持续发展。

随着全球工业的快速发展，用户对产品的需求不断提高，主要表现在高可靠性、高效率、智能化、轻量化、高精度、节能环保、长寿命等方面。企业必须重视科研开发能力，不断提升产品的性能，推陈出新，持续满足市场需求变化，保持市场竞争力。只有这样才能使企业持续稳步发展。另一方面，装备制造为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术，是经济高级化不可或缺的战略性产业。作为经济增长和技术升级的支撑条件，液压缸装备制造业将伴随高新技术和新兴产业的发展而共同进步，并体现出智能化、轻量化、集成化发展的趋势。世界新技术发展日新月异，表现在液压技术方面除了保持压力的传统优点，更发展了高速液压系统。因此，有限元分析作为新兴的分析方法在很大程度上对液压缸分析设计有着跨越式的帮助。

1.2 国内对于液压缸的有限元分析成果

牛玉燕等人在2012年做出了比较全面的分析^【3】。这次课题的研究还是属于比较初级的阶段^【4】,还没有对其各部分进行详细的分析。比如说活塞杆^【5】、耳环结构^【6】等。对于结构方面林国庆和时黛^【7】等人尽力了比较完善的模型，利用所学的力学知识^【8】，结合Workbench、ANSYS的特点和设计模块^【9】，对液压缸受载情况进行强度校核^【10】。总体来说，国内还是有好多完善的研究成果。

1.3 课题主要意义

作为将液压能转换成机械能的能量转换装置，液压缸的强度、刚度以及稳定性对液压支架和单体液压支柱等综和设备的工作性能、使用寿命以及可靠性等方面起着决定性的作用。在工程应用之中，因液压缸结构设计不合理而很容易出现液压缸扭曲、爆裂、断裂以及其它失效形式等，进而造成严重的经济损失和人员大量伤亡；有时还会出现盲目地增大液压缸的壁厚和底厚的情况，这不仅使液压缸的体积增大，而且同时增加了液压缸的铸造和安装难度，从而增加了液压缸的生产成本。随着液压缸结构及负载情况变得越来越复杂，加上液压缸的安装固定方式不同，采用人工对液压缸进行校核不仅费时费力，而且很容易出现错误，所以对液压缸进行计算机有限元分析，是十分必要的。
课题对于大学里所学的知识涉及到很多方面，无论是力学还是液压知识，需要我们运用平时所学，结合老师所给的方法，对液压缸进行有限元分析。重点是有限元的分析，但是对于传统的分析方法也必须了解和掌握，并且对比，得出结论。这是一次非常广泛的综合运用，需要我们用心跟着老师的步伐，也是一个团队的集合，看上去很难的知识点在团队的作用下，可以繁而化简。所以说对于我们大四毕业生来说，这次的课题是需要我们认真对待，不能敷衍了事。这种对知识的深入理解，对新事物的自学，是我们必须掌握的。从查找文献到建立模型，再到导入ANSYS，这些步骤看似简单，却是我们以前从未深入涉及的，老师只是起到指导作用，我们还是需要更多的自学和研究，加上我们团队的互帮互助，我相信这次的课题是将画上一个大学完美的句号。

1.4 课题研究内容

1. 对现有的各种传统的、典型的液压缸力学模型和分析方法进行了分析、对比和综合；运用理论力学原理对液压缸进行了力学计算，计算出了其挠度、转角以及弯矩，从而进行了强度校核，同时对其极限承载力进行了分析；

（2）利用三维建模软件建立液压支架液压缸的三维实体模型，为后面的有限元分析提供实体模型；