基于有限元軟件ANSYS的活塞桿多場耦合計算與研究

摘要：有限元軟件ANSYS在工業(yè)領域求解非線性多物理場有著非常廣泛的應用，本文基于該軟件對某企業(yè)生產(chǎn)的一輪胎定型硫化機開合模油缸活塞桿進行熱一力耦合計算和分析。構建了螺紋配合下的活塞桿仿真模型，并進一步分析得出了在考慮高溫工作下和未考慮高溫工作下活塞桿受力狀態(tài)的應力場，進行對比分析找出了該型硫化機長時間工作后密封性能下降的原因。其仿真方法和結果為有限元軟件ANSYS應用于該型產(chǎn)品或同類產(chǎn)品的多物理場耦合分析計算提供了一定理論指導和借鑒，能夠為其結構設計提供數(shù)據(jù)基礎和一定參考。

關鍵詞：有限元分析;ANSYS軟件;活塞桿;熱力耦合;液壓缸

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0218-03

輪胎定型硫化機是輪胎生產(chǎn)中的重要設備，目前工程使用過程中會出現(xiàn)隨著工作時間的增加起保壓能力下降的現(xiàn)象，這會直接影響輪胎的質(zhì)量。由于該硫化機依靠活塞桿對其施壓，根據(jù)產(chǎn)品結構可知，活塞桿一直處于高溫的受力狀態(tài)。

ANSYS軟件具有高精度、高時效、多種計算方法的非線性多物理場求解功能，文獻[1]分別用隔離法和整體法在ANSYS里完成接觸式機械密封環(huán)溫度場的模擬計算，在溫度場的基礎上進而完成了密封環(huán)熱力耦合的分析。文獻[2]主要是利用ANSYS對轉接頭的隔熱防護結構進行了瞬態(tài)熱力耦合分析，基于溫度場分析結果對接頭件進行了參數(shù)化設計和改進;但螺栓墊片等連接處、轉角處的應力效應和熱膨脹效應考慮不足。文獻[3]基于ANSYS有限元分析對球磨機的梁結構在不同外載荷情況下進行了熱力耦合分析，對梁的設計和球磨機改造有指導作用。還有其他一些工程應用人員和學者對該軟件應用于結構的熱一力耦合分析和研究也做出了應用實例及相關工作[4-5]。

本文參考現(xiàn)有利用ANSYS軟件進行結構的熱一力耦合分析案例，對某公司生產(chǎn)的一型號硫化機的活塞桿進行熱一力耦合分析，為適用于硫化機上工況特殊的活塞桿提供一種新設計和優(yōu)化方法，也為該軟件應用于該工程領域提供一定借鑒和分析實例參考。

1 ANSYS軟件簡介及油缸結構模型的分析與簡化

1.1 ANSYS軟件在多物理耦合場應用簡介

ANSYS軟件是美國開發(fā)的一款商用有限元計算軟件，具有功能強大、操作簡單、求解精度高的優(yōu)點。該軟件操作界面友好，涉及的計算方法眾多.對計算機硬件依賴較小，因此很多高校和工程應用均將該軟件作為有限元分析的首要求解工具。隨著工程應用的深入，分析對象和工況也越來越復雜化，耦合場分析是考慮了諸如力和熱、力和熱及磁場等兩個或兩個以上的多物理場之間的相互作用。利用ANSYS軟件進行多物理場求解時，從操作上有建模、求解、結果后處理三個步驟。

1.2 油缸結構及運動原理

以某雙模輪胎定型硫化機為例，根據(jù)生產(chǎn)廠家結合產(chǎn)品在工程應用上的工作特性，其開合模油缸在工程中具有以下幾個典型特點：

1）油缸在合模過程中會承受來自膠囊的反作用力;

2）油缸活塞桿為受壓桿件;

3）活塞桿工作溫度正常狀態(tài)下為160℃左右，惡劣情況下會高達400℃。

由實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，輪胎在合模之后需要經(jīng)歷一定時間的橡膠硫化保壓時間，所以活塞桿的整個運動過程應當采用穩(wěn)態(tài)分析，根據(jù)油缸和活塞桿的工作和裝配情況，為方便分析做出其運動簡圖如下圖1所示。圖中，表示活塞和油缸壁之間的摩擦力;表示活塞桿承受的液壓力;表示膠囊結構對上熱板的反作用力。

1.3 活塞桿的模型簡化

活塞桿由于較長，在生產(chǎn)過程中還需要長時間地在高溫過程中施加壓力，在油缸結構中比較重要。由于在有限元軟件中對劃分網(wǎng)格及算法的需要，將活塞桿的一些細微結構入圓角、螺紋等忽略，參考文獻[7]忽略這些細小特征不會影響計算結果，簡化后的分析結構模型如圖2所示。

2 單應力場有限元分析

對活塞桿結構進行簡化后，活塞桿結構滿足有限元軟件中的軸對稱模型，且載荷也具有軸對稱特性，為此本文采用軸對稱模型對其進行分析計算。溫度場分析的理論基礎和應用公式參見文獻[1]，熱一力耦合的理論分析方程可參見文獻[5-6]等，這里不再贅述。

熱一力耦合分析可簡單分為順序耦合熱一力分析和完全耦合熱一力分析。結合ANSYS軟件對電腦硬件的要求、計算時間和對計算結果的精度要求，本文采用順序方式的熱力耦合分析方法來求解活塞桿結構。

按上述軟件的計算流程，對活塞桿進行應力計算，在軟件ANSYS中選擇182號彈塑性斷裂模型單元，分析對象的材料特性如表1所示，計算后讀取計算結果，如下圖3所示。

在有限元軟件ANSYS中輸入上表1的材料參數(shù)，定義分析類型為穩(wěn)態(tài)單結構場分析，確定載荷和邊界條件，同時設定仿真步后開始計算。在后處理器中讀取計算結果，得到活塞桿和油缸的應力和應變云圖，如圖4所示。由仿真結果可知，活塞桿在該載荷條件下最大應力位于活塞與活塞桿的連接位置處，為36.9MPa，最大應變0.176mm;同時活塞導向環(huán)和密封環(huán)處的應力大小為20.5MPa，應變均為0.098mm。

3 熱一力耦合分析過程

3.1 溫度場數(shù)值模擬

根據(jù)前述的順序熱力耦合分析法，采用分步法計算活塞桿在耦合場中的受力及應變分布，首先需要獲得活塞桿在危險受力工況下的溫度場分布情況。根據(jù)實際工況，活塞桿的熱輸入條件為：恒溫160℃且保溫1分鐘，同時材料比熱容為C=480 J，（Kg·K）。經(jīng)過軟件計算，得到活塞桿溫度場分布情況，同時為進一步揭示活塞桿的溫度情況，通過后處理獲得沿軸線方向的溫度曲線如圖5所示。分析結果可知，溫度在活塞桿上呈線性變化，最高溫度為160℃，處在活塞桿的上熱板上，最低溫度為25℃，處于開合模油缸底端。活塞桿軸線方向溫度分布有轉折突變是因為活塞與活塞桿直徑不同造成在連接處傳熱不均勻。

3.2 熱一力耦合分析

查閱材料參數(shù)，活塞及活塞桿在各溫度點下的材料溫度參數(shù)如下表2所示。進一步將活塞桿溫度場分布情況作為一個載荷施加到結構場中，同時需要定義耦合約束。然后利用AN-SYS軟件的求解器進行求解，得出活塞桿的應力云圖和應變云圖如下圖6所示。

通過對活塞桿的熱一力耦合場分析，其結構的最大應力和最大應變分別為38MPa和0.25mm，其最大應力位于活塞與活塞桿的連接位置處。進一步讀取其他位置的應力值為：密封環(huán)處的應力和應變?yōu)?5.5和0.17mm;活塞導向環(huán)處的應力和應變分別為30MPa和0.2mm。

4 耦合場仿真結果對比

將活塞桿在單應力狀態(tài)下的求解結果在熱一力耦合場中的求解結果進行對比分析，如圖7、8所示。

（1）由圖7可以看出，在耦合場中的最大應力求解結果略大于在單應力場中的求解結果，熱一力耦合作用下結構的最大應力為38MPa，而單應力場中求解結果的最大應力為36.9MPa，且最大應力發(fā)生的位置在同一位置。

（2）從兩者的應變應力分析結果來看，單應力場中求得的應變云圖分布均勻，而熱力耦合場作用下求得的應變應力顯示在活塞上有波動現(xiàn)象。結合工程實際和產(chǎn)生波動的位置來看，其原因是耦合場綜合考慮并計算了溫度場對活塞和缸壁之間接觸的影響，有熱效應所產(chǎn)生的熱應力使得活塞在導向環(huán)和密封環(huán)的位置處生產(chǎn)應力集中現(xiàn)象。該分析結果也符合T程實際：硫化機的硫化了作溫度越高，其活塞應力波動以及導向環(huán)和密封環(huán)處的應力應變集中現(xiàn)象將更顯著。

5 結論

1）有限元軟件ANSYS能夠很好地應用于結構的熱一力耦合分析，將分析結果結合工程實際并展開分析，能夠為結構的故障和優(yōu)化設計提供很好的數(shù)據(jù)基礎。通過該軟件能夠進一步展示和獲得其結構內(nèi)部的應力分布情況，能夠為該類產(chǎn)品的分析計算方法提供相關借鑒和參考。

2）根據(jù)軟件的計算結果，改變活塞桿上密封圈的型式和密封槽的形狀，可以在改善其密封性能。

參考文獻：

[1]陳匯龍，劉彤，林清龍，等.基于ANSYS接觸式機械密封熱力耦合的研究[J].流體機械，2012，40（07）：29-32.

[2]陳匯龍，劉彤，林清龍，等.基于ANSYS接觸式機械密封熱力耦合的研究[J].流體機械，2012，40（07）：29-32.

[3]駱寰宇.基于ANSYS的接頭熱防護結構熱力耦合分析與設計[A].北京力學會.北京力學會第18屆學術年會論文集[C].北京力學會，2012：2.

[4]胡育勇.風機主軸制動器摩擦副熱一力耦合有限元分析[D].南昌大學，2014.

[5]丁雪興，吳昊，嚴如奇，等.基于ANSYS的機械密封熱力耦合變形計算及分析[J].蘭州理工大學學報，2014，40（05）：41-45.

[6]韓青，葉選林，任杉，等.液壓輪胎定型硫化機液壓系統(tǒng)設計與仿真[J].機床與液壓，2014，（1）：116-119.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-15

作者簡介：徐麗平（1983-），山東兗州人，講師，主要從事計算機網(wǎng)絡技術和軟件技術的教學與應用。