液壓支架頂梁中焊縫處理對強(qiáng)度計算的影響分析

趙 勇

（山煤集團(tuán)霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046600）

引言

作為一種煤礦開采行業(yè)中非常重要的裝備，液壓支架的使用、開發(fā)一直受到人們的高度關(guān)注。液壓支架通常包含頂粱結(jié)構(gòu)、掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)、液壓支撐系統(tǒng)等，如圖1所示為一般采礦業(yè)使用液壓支架示意圖。目前對于液壓支架的主流研究主要集中于強(qiáng)度分析、優(yōu)化設(shè)計、疲勞壽命分析等領(lǐng)域[1-3]。而頂梁作為液壓支架中的主要承載部件，對結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。因此，本文對某型號掩護(hù)梁液壓支架頂梁中的焊縫處理對頂梁強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)簡圖

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 模型建立

本文主要目的是為了探究頂梁有限元模型中焊縫的設(shè)置對于應(yīng)力分析結(jié)果的影響，需要建立兩種模型，頂梁A、頂梁B；分別為頂梁不包括焊縫特征的有限元模型和包含焊縫特征的有限元模型。在三維軟件中創(chuàng)建號兩個模型，由于頂梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模時將一些對分析結(jié)果影響較小的特征進(jìn)行簡化[4-5]。

頂梁的模型如圖2所示，為求得模型的應(yīng)力分布情況，需將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并設(shè)置各個板之間的焊縫連接關(guān)系，并以此創(chuàng)建頂梁A模型。同理將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，不用創(chuàng)建焊縫特征，以此創(chuàng)建頂梁B模型。焊縫的創(chuàng)建具體軟件操作在此不再贅述。

圖2 頂梁三維模型

1.2 模型網(wǎng)格劃分

對模型結(jié)構(gòu)設(shè)置好后，需對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型中設(shè)置了焊縫結(jié)構(gòu)，為了更準(zhǔn)確表達(dá)焊縫的特征，在此設(shè)定最大網(wǎng)格尺寸為5 mm。網(wǎng)格劃分類型選擇通用性四面體網(wǎng)格。頂梁主要由不同規(guī)格的鋼板拼焊而成，頂梁結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)見表1。在ANSYS Workbench中依據(jù)表1對模型材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，已知Q460材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.26，彈性模量E=2.1×105MPa。采用solid185為有限元分析單元類型。模型一共劃分為72 651個單元，包括355 243個節(jié)點(diǎn)。如下頁圖3所示，為頂梁網(wǎng)格劃分示意圖[6]。

表1 頂梁結(jié)構(gòu)材質(zhì)參數(shù)

2 載荷加載

在分析焊縫處理對強(qiáng)度計算的影響時，首先選定一種典型的載荷工況來分析頂梁A、頂梁B模型。本文依據(jù)《煤礦用液壓支架通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，選定扭轉(zhuǎn)載荷工況來分析頂梁，對液壓支架整體進(jìn)行受力分析，可以得到頂梁主要受到三種外部載荷：支撐立柱對頂梁的作用力；掩護(hù)梁對頂梁的約束作用；墊塊對頂梁的作用力。載荷的大小以及載荷作用位置由圖4所示，其中在墊塊位置設(shè)置相應(yīng)的約束，墊塊位置由虛線表示出。立柱對頂梁的作用力根據(jù)額定工作時立柱對頂梁的作用力合力為6 500 kN，將該值乘上1.2的安全系數(shù)后為7 800 kN，將合力分解到兩個作用面（面5、面6），方向為豎直方向偏右18°。

圖3 頂梁網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)液壓支架整體模型仿真計算結(jié)果提取千斤頂對頂梁底部的支撐力，力作用的位置在頂梁與千斤頂支撐位置的銷軸處的兩個接觸面上（命名面1、面2），分別按笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行分解，大小見表2。同理可以得到掩護(hù)梁與頂梁之間的相互作用力，可將作用力施加在筋板的兩特征孔上（命名面3、面4），大小見表 2。

圖4 頂板外載荷作用面

圖5 頂板外載荷作用面

表2 扭轉(zhuǎn)工況頂梁載荷

3 焊縫處理分析結(jié)果

頂梁A、頂梁B模型網(wǎng)格類型、網(wǎng)格單元參數(shù)等均相同，網(wǎng)格劃分最大尺寸設(shè)置相同；同時載荷與邊界條件均按扭轉(zhuǎn)工況設(shè)置，模型固定約束頂板前后端墊塊。設(shè)置好后，分別求頂梁A、頂梁B的應(yīng)力、應(yīng)變，如圖6為頂梁A模型應(yīng)力云圖，為不包括焊縫模型；圖7所示為頂梁B應(yīng)力云圖，帶焊縫模型。

圖6 頂梁不帶焊縫應(yīng)力（Pa）分布情況

圖7 頂梁帶焊縫應(yīng)力（Pa）分布情況

如圖6所示，為頂梁不帶焊縫計算的應(yīng)力結(jié)果，結(jié)果顯示最大應(yīng)力值為4.82e8 Pa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂梁后端與墊塊相接觸區(qū)域。圖7所示，為模型帶焊縫時應(yīng)力計算結(jié)果，最大應(yīng)力值8.61e8 Pa，最大應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域在頂板角焊縫位置。表3所示，詳細(xì)列出了兩種模型不同板件上應(yīng)力與應(yīng)變最大值。

表3 頂梁模型焊縫處理計算應(yīng)力對比

通過分析頂梁A與頂梁B模型在相同載荷與邊界條件的情況下，依據(jù)應(yīng)力分布情況可以得到：有限元模型計算應(yīng)力過程中對于焊縫的設(shè)置對應(yīng)力值影響較大，帶焊縫應(yīng)力值約為不帶焊縫時應(yīng)力值的2倍，而結(jié)構(gòu)位移量相差較小。由此可見對于焊縫的設(shè)置，可以更加真實地反映焊接結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力集中的情況，基于有焊縫模型對結(jié)構(gòu)使用性能、疲勞壽命等評估更為保守、安全，而不帶焊縫的模型對應(yīng)力的評估更加危險。

4 結(jié)論

1）作為大型薄板焊接結(jié)構(gòu)，焊縫對于頂梁整體結(jié)構(gòu)的影響較大。焊縫作為焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最為明顯的區(qū)域，同時也是焊接結(jié)構(gòu)中比較薄弱的區(qū)域。在做有限元分析時應(yīng)該將焊縫對模型的影響考慮在其中。

2）采用帶焊縫的頂梁模型計算結(jié)果更加真實地反映焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，帶焊縫的模型計算得到的應(yīng)力值大于不帶焊縫模型的應(yīng)力值，使得對于液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計偏于安全，同時，能夠更好地反映真實應(yīng)力分布情況，為液壓支架的使用于維護(hù)提供可靠的理論參考。