基于ANSYS軟件的液壓支架前頂梁疲勞壽命分析

張磊 王義賽 劉子奇 李木蘭

摘? 要：隨著煤炭開采的工作環(huán)境越來越嚴峻，對液壓支架前頂梁的要求也愈加嚴格。文章采用Pro/E軟件建立液壓支架前頂梁的三維實體模型，并用ANSYS軟件分析在各種工況下前頂梁的疲勞壽命，分析出影響其壽命突變的主要原因，進而優(yōu)化模型設(shè)計。分析結(jié)果表明前頂梁在單側(cè)受力情況下，應(yīng)力應(yīng)變最大，最容易影響前頂梁的使用壽命。該研究可以有效提高液壓支架前頂梁的安全性和可靠性，在實際應(yīng)用中有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：液壓支架;有限元;疲勞壽命;前頂梁

中圖分類號：TD355? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0037-02

引言

液壓支架是煤礦井下的最主要的安全支護設(shè)備，因此采用性能優(yōu)良、安全可靠的液壓支架可以有效提高煤礦的開采效率。然而，在液壓支架實際工作中，由于前頂梁所受壓力分布不均，焊接工藝性存在差異，選用材料強度不合適等原因，會增加企業(yè)的生產(chǎn)維修成本，影響產(chǎn)品的市場化，甚至在工作時引發(fā)嚴重的工礦事故，造成人身傷亡。

針對液壓支架可靠性的研究，國內(nèi)學者田立勇等人以ZZC8800/20/38型六柱支撐式固體充填液壓支架底座為研究對象，利用三維建模軟件建立了底座的有限元模型，在ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析，對液壓支架底座結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化[1]。王京濤等人對液壓支架設(shè)計具有耗時、耗材、成本高等缺陷，提出一種利用ANSYS和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合對掩護梁進行輕量化和壽命預(yù)測的設(shè)計方法[2]。高耀東等人選擇液壓支架頂梁偏載和底座兩端集中載荷、頂梁扭轉(zhuǎn)和底座兩端集中載荷工況進行分析，得到了較可靠的分析結(jié)果[3]。張愛東等人對頂梁進行了整體強度分析以及基于疲勞壽命可靠性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。董建榮等人結(jié)合有限元分析方法對液壓支架掩護梁結(jié)構(gòu)進行了可靠性優(yōu)化設(shè)計，通過實驗的對比分析獲得了最佳的可靠性優(yōu)化設(shè)計方案，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的液壓支架降低了重量及成本[5]。

通過對國內(nèi)諸多學者的研究可知，目前對于液壓支架受力分析的研究有很多，但對于其前頂梁使用疲勞壽命的研究比較單一。因此，本文是基于有限元的分析方法，利用Pro/E軟件建立液壓支架前頂梁的三維實體模型[6]。通過ANSYS有限元分析四柱液壓支架前頂梁的疲勞強度，并對其進行壽命分析，為設(shè)計安全可靠的前頂梁提供理論依據(jù)。

1 液壓支架三維模型建立

本文采用Pro/E軟件建立前頂梁的幾何模型：

頂梁作為支架的主要的支撐部件，它直接和頂板接觸，并通過它把頂板壓力傳遞給立柱，因此支架的支護性能直接由頂板的支護能力決定。頂梁是由鋼板焊接成的箱體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在材料厚度不變的前提下，為了提高頂梁的強度剛度，多采用圓角和加強筋的設(shè)計，將頂梁內(nèi)部分成多個封閉的小箱體，避免棱角處的應(yīng)力集中。這不僅減小了前頂梁的質(zhì)量，而且也滿足了良好的強度和經(jīng)濟性要求。

2 液壓支架前頂梁有限元分析

本文采用ANSYS Workbench軟件對前頂梁的幾何模型進行有限元分析。假設(shè)前頂梁的材料為Q460，參照文獻[7]確定以下參數(shù)，材料密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強度為460MPa，拉伸強度為550-710MPa。

將構(gòu)件近似看成是若干個小的單元組成，對要進行分析的構(gòu)件進行離散化，這些若干單元之間可以看成是由假想的節(jié)點連接的，并且通過這些節(jié)點相互作用和傳遞力。應(yīng)用靜力等效原則將離散單元上的外力近似的等效到節(jié)點上去，進而模擬實際工況中受到的力。在每個節(jié)點上建立力和位移的線性代數(shù)方程，帶入位移約束條件，求解各節(jié)點的位移量，最終得到所需的應(yīng)力應(yīng)變。

該方法可以有效解決應(yīng)力分析中的一些復(fù)雜問題，如難以處理的邊界條件，非線性等問題。采用有限元法可以更好的模擬分析液壓支架前頂梁在井下的工作狀態(tài)，計算出應(yīng)力集中的地方，找出設(shè)計的缺陷。

2.1 網(wǎng)格化分及施加載荷

因為頂梁的結(jié)構(gòu)簡單，所以采用自由網(wǎng)格劃分的方法，在劃分時要遵循以下幾個原則[8]：（1）前頂梁的尺寸較大，個別地方受力比較集中，因此網(wǎng)格劃分局部需要細化，如柱窩、棱角位置，這些地方應(yīng)力容易集中，需要提高計算的精度。（2）網(wǎng)格劃分越精密計算精度越高，但也會增加計算的時間和占用的空間，因此應(yīng)該合理的規(guī)劃網(wǎng)格化分的密度。

按照以上原則，對頂梁采取自由網(wǎng)格劃分，劃分尺寸為20mm，設(shè)置密度級為3，共得到個1545665單元格，2184673個節(jié)點。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

液壓支架在井下工作時，受力復(fù)雜，在軟件中難以完全模擬其工作的真實情況。依據(jù)《液壓支架通用技術(shù)條件》[9]的規(guī)定，選取了3種比較有代表性的工況進行分析，分別是：（1）頂梁兩端載荷;（2）頂梁集中載荷;（3）頂梁單側(cè)偏載。鑒于以往研究分析可知，當前頂梁受單側(cè)偏載時，前頂梁的疲勞壽命突變最為嚴重。在前頂梁單側(cè)加上F=6800kN的靜壓力，得到圖1（a）的應(yīng)力云圖。

從結(jié)果可以看出，橫肋板處的應(yīng)力較高，為488.84MPa，但在抗拉強度的允許范圍以內(nèi)，滿足目前的要求。

2.3 疲勞強度分析

在static structural模塊的solution中插入fatigue tools工具，液壓支架前頂梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是焊接而成，表面存在應(yīng)力集中和材料缺陷，取 fatigue strength factor為0.7，按照《液壓支架通用技術(shù)條件》對耐久性能實驗的規(guī)定，將最大載荷定為額定工作阻力的1.2倍，最小載荷為額定工作阻力的0.25倍。在fatigue tool中加入Life選項求解，計算出該前頂梁單側(cè)受力情況下的壽命云圖，如圖1（b）所示。

得到疲勞壽命的分析后，可以添加安全系數(shù)分析工具，更直觀地分析頂梁何處滿足設(shè)計要求、何處需要進行改進或者重新設(shè)計。插入 Safety factor，設(shè)置單側(cè)加載次數(shù)1000次，將Design life設(shè)置為1000，得到安全系數(shù)。從安全系數(shù)結(jié)果可以看出，橫肋板下的兩個窩柱的安全系數(shù)最小，只有0.66左右。因此需要對柱窩處進行優(yōu)化，加強該處的強度。

3 優(yōu)化設(shè)計

實驗表明液壓支架在單側(cè)受力時，在柱窩處最容易發(fā)生應(yīng)力集中和疲勞失效，這也與之前理論分析的結(jié)果吻合?？梢酝ㄟ^在柱窩處進行表層高頻感應(yīng)淬火，加強接觸表面的強度，改善表層組織，細化組織結(jié)構(gòu)，延長前頂梁在不同工況下的使用壽命。對于選用材料和前頂梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計如下：

（1）原設(shè)計中頂梁主肋上的主肋板、貼板及加強板均采用鋼材Q550，從各種工況下分析的結(jié)果來看，可考慮降低材料的強度等級，建議采用Q460;頂梁中蓋板原設(shè)計中采用Q460，根據(jù)分析的結(jié)果建議使用鋼材16Mn。

（2）根據(jù)有限元分析的結(jié)果，針對掩護梁應(yīng)力分布的特點，建議在頂梁內(nèi)部柱窩附近適當焊接加強筋，提高柱窩處的強度?？蛇m當降低內(nèi)外主肋、蓋板材料的剛度，在滿足工作要求的同時又能節(jié)省經(jīng)濟。

參考文獻：

[1]田立勇，隋然，宋振鐸，等.基于有限元法的固體充填液壓支架底座結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].機械設(shè)計，2018，35（02）：98-104.

[2]王京濤，陸金桂，趙東波，等.液壓支架掩護梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及疲勞壽命預(yù)測[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，36（09）：72-75.

[3]高耀東，周同.用有限元法模擬液壓支架強度試驗[J].機械設(shè)計，2018，35（12）：66-71.

[4]張愛東，商德勇，石哲敏.ZF4000/17.5/28HL型液壓支架頂梁可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2016，35（01）：221-223.

[5]董建榮，張欣.液壓支架掩護梁可靠性優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].中國礦業(yè)，2017，26（06）：161-165.

[6]牛清娜，張平格.基于Pro/E和ANSYS的液壓支架有限元分析[J].煤礦機械，2015，36（12）：266-267.

[7]趙東波，陸金桂，姚靈靈.液壓支架頂梁疲勞壽命的改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（12）：106-109.

[8]曹連民，郭成，郭震，等.基于ANSYS Workbench的垛式超前支架有限元分析[J].煤炭技術(shù)，2018，37（04）：204-206.

[9]中華人民共和國煤炭行業(yè)標準.

MT312-2000.液壓支架通用技術(shù)條件[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.