液壓支架的三維建模及整架有限元分析

摘 要：利用Pro/E軟件建立ZY6000/25/50型兩柱掩護(hù)式液壓支架的三維模型，并把模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行分析，得出在頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)工況下支架的應(yīng)力和位移分布情況，研究的結(jié)果可以為液壓支架的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓支架 三維建模 有限元分析 強(qiáng)度分析

中圖分類號：TD355文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0083-02

液壓支架是綜合機(jī)械化回采工作面的支護(hù)設(shè)備，起支撐和保護(hù)的作用。液壓支架的壽命和質(zhì)量，與它在承載情況下的應(yīng)力應(yīng)變有很大的關(guān)系。在傳統(tǒng)的液壓支架設(shè)計過程中，一般是制造出一臺樣機(jī)，在反復(fù)的試驗(yàn)中得到液壓支架各部位的應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，但是這種結(jié)果誤差比較大。本文采用Pro/E軟件建立液壓支架的三維模型，將模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，能夠更好地模擬各種工況，得到支架在各種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，大大縮短了支架的設(shè)計周期，節(jié)省了液壓支架的設(shè)計成本。

1 液壓支架的三維建模

1.1 液壓支架的簡化

在建模過程中，考慮到有限元分析過程中的網(wǎng)格劃分、相互作用的設(shè)定和載荷的加載，要對液壓支架進(jìn)行簡化。

因?yàn)榱⒅颓Ы镯斉c支架的接觸比較復(fù)雜，在建模過程中進(jìn)行簡化處理，用載荷代替。為節(jié)省建模時間，對頂梁、掩護(hù)梁和底座上的小孔和對支架受力影響不大的小塊或小環(huán)進(jìn)行簡化處理。支架模型中不能出現(xiàn)小邊或小縫，否則會影響后續(xù)有限元分析中的網(wǎng)格劃分，影響到支架應(yīng)力應(yīng)變的分析結(jié)果，所以對這些小邊或小縫也要進(jìn)行簡化處理。

1.2 液壓支架各部構(gòu)件的建模

液壓支架包括頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿、底座這幾部分，分別對其進(jìn)行建模。

在建模過程中，前后連桿和底座是關(guān)于中心對稱的，因此在拉伸和旋轉(zhuǎn)過程中，充分利用軟件中的鏡像模塊，可以大大縮短建模時間，提高支架的建模效率。支架各部分建模如圖2所示。

1.3 液壓支架的裝配

在Pro/E中對完成建模的支架各構(gòu)件進(jìn)行裝配。裝配過程中，構(gòu)件與構(gòu)件之間的間隙尺寸為5mm，構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接設(shè)置為鉸接。根據(jù)MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》，在頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)工況下，支架試驗(yàn)高度為支架最低高度加上300mm，液壓支架的最低高度是2500mm，所以把支架的分析高度定為2800mm。支架整體裝配圖如圖3所示。

2 液壓支架的整架有限元分析

2.1 檢查支架整體模型

模型建好后，以“x_t”形式保存副本，導(dǎo)入到ABAQUS軟件當(dāng)中，然后對支架整架進(jìn)行靜力學(xué)分析。模型導(dǎo)入ABAQUS中后如圖4所示。

模型導(dǎo)入后，整個支架會出現(xiàn)很多尺寸不夠精確的地方，不精確尺寸會對整個分析的收斂性產(chǎn)生很大的影響，甚至對最后的應(yīng)力分析結(jié)果也會產(chǎn)生很大影響，所以先對模型整體進(jìn)行檢查，將不精確的尺寸修改為精確尺寸。（如圖4）

2.2 支架的屬性設(shè)定

支架材料為低合金高強(qiáng)度合金鋼Q460，屬性設(shè)置過程中，假定支架材料是均勻的，各項(xiàng)同性的，其參數(shù)為：楊氏模量210000MPa；泊松比0.3。因?yàn)樵O(shè)定的是立柱和千斤頂對支架的工作阻力分別是3000kN和1318kN，支架自重可以忽略不計，所以不對材料密度設(shè)定。

在墊塊的屬性設(shè)置過程中，如果墊塊與支架的屬性差別過大，會在它們的接觸面附件產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中情況本不該出現(xiàn)，這就會影響到液壓支架最后的應(yīng)力分析結(jié)果。所以將墊塊的屬性設(shè)置為與支架相同。

2.3 支架的分析步設(shè)定和相互作用設(shè)定

分析步設(shè)定過程中，為了保證分析結(jié)果的收斂性，分為兩步進(jìn)行分析。第一步施加一個比較小的力，第二步設(shè)定施加額定載荷，兩個分析步的最大增量步數(shù)都定為800，初始增量步大小定為0.02。輸出部分只用輸出應(yīng)力、應(yīng)變和位移即可。

進(jìn)行互相作用設(shè)定過程中，把支架各部件之間的連接進(jìn)行設(shè)定：頂梁與掩護(hù)梁、掩護(hù)梁與前后連桿、底座與前后連桿設(shè)定為耦合鉸接；在頂梁和底座的柱窩處，將球心與球面設(shè)為剛性連接；將千斤頂?shù)淖饔命c(diǎn)與頂梁和掩護(hù)梁耳板的接觸面設(shè)定為剛性連接。墊塊與頂梁和底座之間的接觸設(shè)為無摩擦接觸，并且限制接觸面兩個方向的邊界條件，代替摩擦。

2.4 支架的載荷加載和邊界條件

載荷加載過程中，因?yàn)榱⒅颓Ы镯敹寂c水平面之間有夾角，其作用力的方向不可能是豎直方向，所以可以把作用力分解到兩個方向上加載。其中，立柱與水平面夾角為80.93°，其作用力分解到x和y兩個方向上分別是473KN和2962.5N；千斤頂與水平面夾角為14.14°，其作用力分解到x和y兩個方向上分別是1278KN和322KN。墊塊則設(shè)定為完全固定。

在對支架進(jìn)行有限元分析的過程中，邊界條件的處理對分析結(jié)果有很大的影響。在MT312-2000 液壓支架通用技術(shù)條件中，對支架型式試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定了多種工況，實(shí)踐表明，支架損壞最主要的原因是承受偏載和扭轉(zhuǎn)載荷。所以本文以頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)工況為例，將模型導(dǎo)入到ABAQUS中分析支架各部分的受力情況。

2.5 支架的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分要注意網(wǎng)格大小的確定。網(wǎng)格太大，則不能得到精確的分析結(jié)果；但網(wǎng)格太小，則會增大計算機(jī)的工作量，對計算機(jī)的要求也會更高。所以網(wǎng)格大小要合適，經(jīng)過多次嘗試，把網(wǎng)格大小定為70。因?yàn)橹Ъ芙Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為標(biāo)準(zhǔn)線性四面體C3D4。網(wǎng)格劃分好的支架如圖5所示。

2.6 提交支架作業(yè)

網(wǎng)格劃分好后，提交作業(yè)，對支架進(jìn)行分析，得到支架整架的應(yīng)力云圖結(jié)果如圖6所示。

圖6中可以得到，液壓支架在頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力為352MPa，而Q460鋼的屈服強(qiáng)度是460MPa，所以確定支架在這種工況下是安全的。

圖7可以得到：最大應(yīng)力處分布在頂梁沒有墊塊的一側(cè)，頂梁沒有墊塊的一側(cè)應(yīng)力集中比較明顯，建議提高此處材料的強(qiáng)度或厚度以提高安全性。

3 結(jié)語

本文用Pro/E和ABAQUS對兩柱式液壓支架進(jìn)行了整架有限元分析，結(jié)果表明：

（1）在頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)的工況下，ZY6000/25/50型兩柱掩護(hù)式液壓支架的最大應(yīng)力值是352MPa，小于Q460的屈服強(qiáng)度460MPa，因此液壓支架是安全的。

（2）分析表明，頂梁不受載的一側(cè)應(yīng)力集中明顯，建議提高此處的材料強(qiáng)度或厚度以確保安全。

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