搜索基于ANSYS Workbench的液壓油路管強度研究
2016-08-22 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
引言
液壓驅動裝置體積小、重量輕、結構緊湊、操縱控制簡便,易于實現過載保護,在各個領域中得到廣泛應用和發展。特別是在航空領域,液壓驅動裝置起著舉足輕重的作用。
飛機起落架的滑行、起飛;艙門的打開與關閉、軍用飛機上導彈的投放等都是由液壓驅動裝置控制實現。所以液壓驅動裝置可靠性運行顯得非常突出和重要。同時航空產品對產品重量的要求也是相當苛刻。
液壓控制殼體作為液壓驅動裝置中控制和調節液體壓力、流量和方向的控制元件當然是整個裝置中的重中之重。
液壓控制殼體中,各油路縱橫交錯,既要保證液壓驅動裝置的可靠運行,不能發生油路管漏油、破裂等故障又要將產品重量降到最小,這就涉及到油路管強度校核和最小壁厚的問題。
本文重點研究液壓油路管交錯角度對強度的影響及不同直徑油路管對應的最小壁厚,為液壓驅動裝置的設計及減重提供參考。
對直徑為6mm、10mm、20mm油路管分別在相交30度、45度、90度時的強度進行有限元分析。對各個幾何模型采用相同大小網格處理,將油路管交叉處網格細化,以提高計算精度。施加油壓 42 MPa,計算得到各直徑下不同交叉角度時的油路管在相同油壓下的最大應力。
1.1直徑10mm油路管相交30度的強度分析
直徑10mm油路管相交30度在 42 MPa 油壓下的應力分布如圖1所示。最大應力出現在兩油路管相交處,最大應力為544.75 MPa。
圖1 直徑10mm油路管相交30度應力分布圖
1.2直徑10mm油路管相交45度的強度分析
直徑10mm油路管相交45度在 42 MPa 油壓下的應力分布如圖2所示,最大應力出現在兩油路管相交處,最大應力為352.04 MPa。
圖2 直徑10mm油路管相交45度時應力分布圖
1.3直徑10mm油路管相交45度的強度分析
直徑10mm油路管相交90度在 42 MPa 油壓下的應力分布如圖3所示,最大應力出現在兩油路管相交處,最大應力為177 MPa。
圖3 直徑10mm油路管垂直相交時應力分布圖
直徑6mm油路管、直徑20mm油路管相交30度、45度、90度時的應力分布與直徑10mm油路管應力分布相同,最大應力均出現在油路管相交處。兩個油路管45度相交時,油路管口壁厚較薄,應力也較大,如圖2所示。
表1 不同直徑、不同角度油路管42MPa油壓下的最大應力
通過上表可以看出,相同直徑油路管在不同角度下的應力不同,兩油路管相交角度越大,應力越小。無論油路管直徑多大,兩管垂直相交,應力最小。
本節主要研究在內壓作用下油路管的屈服失效、爆裂失效以及疲勞強度。油路管內壓屈服失效的基本原理是內壁發生屈服即失效,但內壓屈服并不喪失密封完整性和結構完整性,內壁屈服在實際試驗中和現場應用中都體現不出來,屈服失效準則較嚴酷。
爆裂能真實的體現油路管喪失密封完整性,采用抗拉強度校核。本文中對油路管內壁采用抗拉強度校核,最小壁厚外壁處采用屈服失效準則校核。為了與實際更接近,本文采用一端堵口的油路管進行有限元模擬。
爆破試驗油壓一般為 70 MPa ,材料取7A04-H112,對直徑 6 mm、10 mm、15 mm、20 mm 油路管的最小壁厚進行研究。
2.1材料參數
表2 材料性能參數
2.2各直徑油路管對應最小壁厚研究
2.2.1直徑6mm油路管最小壁厚1.2mm
直徑6mm、壁厚1.2mm油路管在70MPa爆破油壓下最大應力為314.2MPa,壁厚1.2mm處的最大應力為253.32MPa,應力分布如圖4所示。
圖4 直徑6mm、壁厚1.2mm油路管應力分布圖
表3 直徑6mm、壁厚1.2mm油路管靜強度計算結果
2.2.2直徑10mm油路管最小壁厚2mm
直徑 10mm 、最小壁厚 2mm 油路管在 70MPa 油壓下最大應力為 319.67MPa,最小壁厚2mm處最大應力為 259.14MPa ,應力分布如圖5所示。
圖5 直徑10mm、壁厚2mm油路管應力分布圖
表4 直徑10mm、壁厚2mm油路管靜強度計算結果
2.2.3直徑15mm油路管最小壁厚3mm
直徑15 mm、最小壁厚3mm油路管在70 MPa油壓下最大應力為392.45 MPa,最小壁厚3mm處最大應力為260.39 MPa,應力分布如圖6所示。
圖6 直徑15mm、壁厚3mm油路管應力分布圖
表5 直徑15mm、壁厚3mm油路管靜強度計算結果
2.2.4直徑20mm油路管最小壁厚4mm
直徑 20mm、最小壁厚 4mm 油路管在 70 MPa油壓下最大應力為444.19MPa,最小壁厚4mm處最大應力為262MPa,應力分布如圖7所示。
圖7 直徑20mm、壁厚4mm油路管應力分布圖
表6 直徑20mm、壁厚4mm油路管靜強度計算結果
2.3各油路管最小壁厚靜強度計算結果
各直徑油路管對應最小壁厚下的靜強度計算結果如表7所示。
表7 各直徑油路管靜強度計算結果
由上表可以看出,各直徑油路管在 70 MPa 爆破油壓下,內壁安全系數均大于1,即內壁均未發生爆裂破壞;各直徑油路管最小壁厚處的靜強度安全系數均大于1.5,說明最小壁厚處均未發生屈服失效且留有一定安全余量。因此可以得出結論:直徑小于20mm油路管對應的最小壁厚為油路管直徑的20%。
2.4各油路管最小壁厚疲勞強度計算
表8 各油路管疲勞強度計算
由上表可知,各直徑油路管在 70 MPa 爆破油壓下的安全壽命分別為2.0E+6 次、1.825E+6 次、6.5E+5 次和3.25E+5 次。由此表明各直徑油路管在壓力脈沖循環次數小于3.25E+5次時其對應的最小壁厚均滿足疲勞強度。
本文基于ANSYS Workbench分別對油路管不同交叉角度對其強度的影響和不同直徑對應最小壁厚的規律進行研究,可以得出以下結論:
(1)無論油路管直徑多大,交叉角度為90度時,油路管內壁交叉處應力最小,油路管內壁不易發生磨損、漏油等;
(2)油路管直徑小于20mm時,其對應的最小壁厚為直徑的20%,既能滿足爆破油壓下的靜強度要求,又能滿足循環次數低于325000次的疲勞壽命要求,為液壓控制殼體的設計和減重提供理論參考。
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