基于ANSYS的煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

沈誠(chéng)+劉桃+鄭文豪+李輝+戴祥+吳海周

摘要：

煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車是煤炭開(kāi)采系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，占煤炭開(kāi)采的成本比重較大，但存在原轉(zhuǎn)載機(jī)械的安全系數(shù)偏高，機(jī)器的制造材料消耗及使用不夠合理等問(wèn)題。論文運(yùn)用ANSYS軟件中對(duì)支撐車三維模型進(jìn)行了有限元仿真分析，優(yōu)化了支撐車車體的結(jié)構(gòu)。通過(guò)這一優(yōu)化，降低了車體的重量，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)節(jié)約的大量的資源。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化;煤礦井下;轉(zhuǎn)載機(jī);支撐車;有限元分析

分類號(hào)：TH243+.2

引 言

煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車是煤炭開(kāi)采系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，占煤炭開(kāi)采的成本比重較大[1]，但存在原轉(zhuǎn)載機(jī)械的安全系數(shù)偏高，機(jī)器的制造材料消耗及使用不夠合理等問(wèn)題，造成了成本偏高。為了解決這一問(wèn)題，在不影響其使用性能的前提下，本文采用ANSYS軟件和正交試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 ?靜態(tài)有限元分析與強(qiáng)度校核

1.1 創(chuàng)建模型

建立的三維實(shí)體模型如圖1所示，因?yàn)橹诬囓圀w選擇的材料是40Mn2鋼，兩側(cè)的焊接板是WZB-NM360鋼，兩者都屬于合金鋼系，特性參數(shù)選擇如表1所示。本文運(yùn)用Pro/E進(jìn)行三維實(shí)體建模[2]。忽略了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有影響的次要因素，采用了IGES格式文件作為中間數(shù)據(jù)進(jìn)行交換或使用接口程序連接Pro/E和ANSYS[3]，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入至軟件ANSYS中。

圖1支撐車車體三維實(shí)體模型

Fig.1 Support the three-dimensional solid

model of vehicle body

圖2支撐車車體的有限元網(wǎng)格模型

Fig.2 Support the vehicle body of the finite

element mesh model

1.2 ?劃分網(wǎng)格

本文采用了等級(jí)為5的網(wǎng)格密度對(duì)車體進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2所示，網(wǎng)格共劃分生成了190362個(gè)單元和305158個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 ?施加載荷

支撐車工作時(shí)車體受到的力主要來(lái)自與皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的重力與皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊力，因此為了計(jì)算支撐車車體的受力，首先要計(jì)算出皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在工作時(shí)的靜態(tài)重力。考慮到皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)各組成部件，如：皮帶、托輥和支架等，又考慮到皮帶系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊下，各部分的等效重量估算如下。

表1材料特性表

Table 1 Material characteristics table

材料的密度ρ（kg/m3）

泊松比彈性模量E（N/m2）

7.85×103μ=0.32.06×1011

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)上運(yùn)輸?shù)牡V物質(zhì)量為：mm=B·H·L·ρ=0.8×0.07×50×103=2800kg

按每米8kg估算，則120米的皮帶質(zhì)量mg=8×120=960kg

按每個(gè)托輥1.2kg，則共162個(gè)托輥的重量m1=1.2×162=194.4kg

估算皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的支架每米20kg，則其總的重量為mv=20×50=1000kg

再將其他附件的總質(zhì)量按大的估算為mf=200kg

則皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的的總重量G為：m=mm+mg+ml+mv+mf=5154.4kg

G=m·g=5154.4×9.8N=50513.12N

由于共20輛支撐車支撐此皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，因此每個(gè)支撐車的靜態(tài)受力為：

P=G/n=50513.12/20=2525.656N

1.4 ?施加約束

由于車體在底端處有支撐架設(shè)計(jì)支撐，對(duì)模型的靜力分析時(shí)，為了便于計(jì)算，支撐架的支撐可以被看作為剛性支撐，而且支撐架橫杠在支撐車體底座時(shí)看作為是均勻間斷的。邊界條件定義為多處且均勻間斷的全約束。

此外還要考慮支撐車的安全性能，取其安全系數(shù)為1.2，則每個(gè)支撐車的車體受力為3030.7872N。支撐車車體模型所受載荷及約束的情況如圖3所示。

1.5 ?仿真分析

在求解類型中我們選擇Static模式，進(jìn)行有限元分析求解。求解完成后，得到如圖4～7所示的支撐車車體變形圖、位移云圖、應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。

圖3定義約束和載荷后的模型圖

Fig.3 Model chart after increase restraint and load

圖4 支撐車車體的變形圖

Fig.4 Support the vehicle body deformation figure

圖5位移矢量云圖

Fig.5 Displacement vector sum cloud chart

圖6支撐車車體的應(yīng)力云圖

Fig.6 Stress cloud chart of support the vehicle body

圖7Von Mises stress圖型

Fig.7Von Mises stress chart

從圖4和圖5可知，支撐車車體的變形發(fā)生在支撐車車體上導(dǎo)軌的中部;從圖6和圖7中可知，最大應(yīng)力發(fā)生位于支撐車車體上導(dǎo)軌的中下部，Von Mises Stress最大值為13.7Mpa。根據(jù)所選材料特性可知，我們得到的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40Mn2鋼的許用應(yīng)力。

1.6 ?仿真結(jié)論

上述仿真中可以看出，本文最初對(duì)支撐車車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，該結(jié)構(gòu)完全滿足實(shí)際需要的剛度和強(qiáng)度，但由于材料的選擇及結(jié)構(gòu)的利用率不是很合理，所以有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 ?支撐車車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文主要是以對(duì)支撐車的結(jié)構(gòu)尺寸和車體材料對(duì)原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸和材料等對(duì)支撐車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 ?建立優(yōu)化方案

我們采用了ANSYS自帶的優(yōu)化功能模塊對(duì)支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化方案，再使用ANSYS將優(yōu)化的方案導(dǎo)入其中進(jìn)行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應(yīng)力最大，因此在有限元的分析過(guò)程中必須保證此危險(xiǎn)處有足夠的強(qiáng)度，根據(jù)支撐車車體的結(jié)構(gòu)得到以下四種參數(shù)組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結(jié)構(gòu)參數(shù)方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側(cè)厚度（mm）車體的中側(cè)厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優(yōu)化

根據(jù)表中支撐車車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進(jìn)行分析，共得到16個(gè)分析效果圖，其中第一種4個(gè)效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數(shù)據(jù)如下表3所示：

表3分析數(shù)據(jù)

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應(yīng)力（Pa）應(yīng)變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優(yōu)化結(jié)果

由上述優(yōu)化可知，方案4的模型優(yōu)化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應(yīng)力應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谒姆N方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求。在模型改進(jìn)前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進(jìn)后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個(gè)支撐車的重量得到大幅的下降，同時(shí)也提高了整個(gè)支撐車的性能。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車的有限元分析，優(yōu)化了支撐車車體結(jié)構(gòu)，從而降低了車體的重量，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)也節(jié)約了大量的資源。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳維健. 礦山運(yùn)輸與提升設(shè)備[M]. 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)案例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

2 ?支撐車車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文主要是以對(duì)支撐車的結(jié)構(gòu)尺寸和車體材料對(duì)原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸和材料等對(duì)支撐車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 ?建立優(yōu)化方案

我們采用了ANSYS自帶的優(yōu)化功能模塊對(duì)支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化方案，再使用ANSYS將優(yōu)化的方案導(dǎo)入其中進(jìn)行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應(yīng)力最大，因此在有限元的分析過(guò)程中必須保證此危險(xiǎn)處有足夠的強(qiáng)度，根據(jù)支撐車車體的結(jié)構(gòu)得到以下四種參數(shù)組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結(jié)構(gòu)參數(shù)方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側(cè)厚度（mm）車體的中側(cè)厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優(yōu)化

根據(jù)表中支撐車車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進(jìn)行分析，共得到16個(gè)分析效果圖，其中第一種4個(gè)效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數(shù)據(jù)如下表3所示：

表3分析數(shù)據(jù)

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應(yīng)力（Pa）應(yīng)變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優(yōu)化結(jié)果

由上述優(yōu)化可知，方案4的模型優(yōu)化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應(yīng)力應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谒姆N方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求。在模型改進(jìn)前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進(jìn)后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個(gè)支撐車的重量得到大幅的下降，同時(shí)也提高了整個(gè)支撐車的性能。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車的有限元分析，優(yōu)化了支撐車車體結(jié)構(gòu)，從而降低了車體的重量，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)也節(jié)約了大量的資源。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳維健. 礦山運(yùn)輸與提升設(shè)備[M]. 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)案例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

2 ?支撐車車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文主要是以對(duì)支撐車的結(jié)構(gòu)尺寸和車體材料對(duì)原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸和材料等對(duì)支撐車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 ?建立優(yōu)化方案

我們采用了ANSYS自帶的優(yōu)化功能模塊對(duì)支撐車車體的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化方案，再使用ANSYS將優(yōu)化的方案導(dǎo)入其中進(jìn)行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應(yīng)力最大，因此在有限元的分析過(guò)程中必須保證此危險(xiǎn)處有足夠的強(qiáng)度，根據(jù)支撐車車體的結(jié)構(gòu)得到以下四種參數(shù)組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結(jié)構(gòu)參數(shù)方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側(cè)厚度（mm）車體的中側(cè)厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優(yōu)化

根據(jù)表中支撐車車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進(jìn)行分析，共得到16個(gè)分析效果圖，其中第一種4個(gè)效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數(shù)據(jù)如下表3所示：

表3分析數(shù)據(jù)

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應(yīng)力（Pa）應(yīng)變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優(yōu)化結(jié)果

由上述優(yōu)化可知，方案4的模型優(yōu)化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應(yīng)力應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谒姆N方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求。在模型改進(jìn)前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進(jìn)后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個(gè)支撐車的重量得到大幅的下降，同時(shí)也提高了整個(gè)支撐車的性能。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)煤礦井下轉(zhuǎn)載機(jī)支撐車的有限元分析，優(yōu)化了支撐車車體結(jié)構(gòu)，從而降低了車體的重量，為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)也節(jié)約了大量的資源。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳維健. 礦山運(yùn)輸與提升設(shè)備[M]. 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)案例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）