大采高液壓支架三維建模與有限元分析

金煥成

摘 要：為了提高大采高液壓支架的設(shè)計水平，利用Pro/E軟件建立了大采高液壓支架的三維實體模型，并將模型利用接口導(dǎo)入到ANSYS中，在分析大采高液壓支架工況基礎(chǔ)上，通過定義單元類型、實常數(shù)、材料屬性等，將支架信息輸入到有限元分析軟件中，通過合理的定義載荷和約束，獲得了支架頂梁受兩端集中載荷、底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖，直觀地獲取了支架的應(yīng)力應(yīng)變情況。

關(guān)鍵詞：大采高液壓支架 三維建模 有限元分析

中圖分類號：TD35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0042-02

厚煤層綜采過程中，大采高綜采被廣泛應(yīng)用，大采高液壓支架是綜采的關(guān)鍵裝備之一。近年來，我國液壓支架設(shè)計與制造技術(shù)得到了較大的提高，但與先進(jìn)發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平相比，我國大采高液壓支架方面的設(shè)計與制造仍然還有差距，主要有以下幾個領(lǐng)域，一是設(shè)計理念和設(shè)計手段落后，三維建模軟件、有限元分析軟件都為國外開發(fā)，應(yīng)用時一些關(guān)鍵問題沒有得到很好的解決，三維仿真和數(shù)值模擬技術(shù)沒有廣泛地應(yīng)用在大采高液壓支架的設(shè)計中；二是液壓支架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求比國外發(fā)達(dá)國家的要求低，大采高液壓支架性能的試驗水平不高；三是液壓支架的操作和控制技術(shù)自動化程度較低，移架速度與自動化操控相比低得多，雖然部分支架采用電液控制系統(tǒng)，提高了移架速度，但應(yīng)用范圍并不廣；四是在支架關(guān)鍵零件的材料制備和加工工藝方面仍很落后。為了提高高端支架的設(shè)計與制造水平，近年來我國投入大量財力、物力、人力對大采高強(qiáng)力液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究，大采高液壓支架受力復(fù)雜，厚煤層綜采過程中工作面支架受非常大的頂板圍巖的作用力，常規(guī)液壓支架受力分析的方法不能完全照搬到大采高液壓支架設(shè)計中，該文進(jìn)行了大采高液壓支架三維建模與有限元分析的研究。

1 大采高液壓支架載荷特性分析

大采高液壓支架所受載荷與綜采工作面煤層地質(zhì)條件有關(guān)，復(fù)雜的煤層地質(zhì)條件致使支架在工作過程中承載狀態(tài)的復(fù)雜性。根據(jù)相關(guān)研究分析，大采高液壓支架載荷主要有對稱集中載荷和非對稱集中載荷兩類。支架承受對稱的集中載荷又分為支架頂梁中部受集中載荷和支架頂梁前后端集中載荷兩種。液壓支架受非對稱載荷作用時，支架的結(jié)構(gòu)不僅承受垂直的縱向載荷，還要承受橫向扭轉(zhuǎn)載荷的作用。

2 某型大采高液壓支架實體模型的建立

由于大采高液壓支架的頂梁、底梁、掩護(hù)梁等為復(fù)雜的多腔室薄壁箱形焊接結(jié)構(gòu)，完全按照實體結(jié)構(gòu)建立三維模型非常困難，因此該文在對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化后，用 Pro/E軟件對整架建立了三維實體模型，如圖1所示。

3 ANSYS有限元分析

將Pro/E軟件建立的三維建模，通過接口導(dǎo)入到 ANSYS軟件中，然后對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分以生成節(jié)點和單元，并定義了實常數(shù)、材料屬性、單元屬性，選擇好單元類型，根據(jù)支架工作受力情況，定義了載荷和約束，對不同工況分別進(jìn)行了有限元分析，獲得了相應(yīng)的云圖。圖2是頂梁承受兩端集中載荷、底座扭轉(zhuǎn)載荷的有限元模型，圖3為頂梁承受兩端集中載荷、底座扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力云圖。

通過整架應(yīng)力云圖可得出支架的應(yīng)力狀況。如果施加其他類型載荷，采用同樣方法，即可獲得相應(yīng)的支架應(yīng)力情況。

4 結(jié)語

該文運用PRO/E軟件，對大采高液壓支架建立了三維實體模型，導(dǎo)入到ANSYS軟件中，對頂梁兩端集中載荷底座扭轉(zhuǎn)加載工況下進(jìn)行了有限元分析，獲得了支架的整架應(yīng)力云圖，對大采高液壓支架的受力情況有了直觀的掌握，為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有益參考。利用該方法，對支架的其他承載情況也能夠獲得其相應(yīng)的應(yīng)力云圖。

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