基于ANSYS的垂直導(dǎo)柱式充填液壓支架的 有限元分析

史磊，蔣留杰

(鄭州四維機(jī)電裝備制造有限公司， 河南 鄭州 450002)

0 引言

薄煤層在我國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量中占比非常大，隨著淺部中厚煤層可開采儲(chǔ)量逐漸減小，薄煤層的開采越來(lái)越受到重視。充填液壓支架是薄煤層開采中的主要設(shè)備，但薄煤層的作業(yè)空間狹小，直接導(dǎo)致設(shè)備的有效運(yùn)轉(zhuǎn)空間變小，使得開采效率低下，而充填開采相較于傳統(tǒng)綜采，需要在有限的空間內(nèi)布置包括多孔底卸式刮板輸送機(jī)等設(shè)備在內(nèi)的更多裝備，因此，在薄煤層中進(jìn)行充填開采的關(guān)鍵問題是如何在極有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充填開采裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前薄煤層開采主要運(yùn)用電液控系統(tǒng)的掩護(hù)式液壓支架[1]，對(duì)薄煤層的充填開采而言，因?yàn)橹Ъ艹司S護(hù)采煤空間之外，還需要在夯實(shí)物料時(shí)維護(hù)充填空間，尤其需要支架的后頂梁具有足夠的支撐強(qiáng)度，所以充填支架的設(shè)計(jì)具有較傳統(tǒng)支架更嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求[2]。本文研究的垂直導(dǎo)柱式充填液壓支架是用于薄煤層充填開采工作的一種新型支護(hù)設(shè)備，可以在有限的充填開采的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常的充填采煤作業(yè)。本次模擬的ZC9600/16/31垂直導(dǎo)柱式充填液壓支架采用前、后頂梁同軸鉸接，取消了中部的四連桿機(jī)構(gòu)，特定的兩導(dǎo)向柱垂直導(dǎo)向，與前后立柱并排布置。這種結(jié)構(gòu)形式具有前后頂梁受力對(duì)稱、支架充填區(qū)以及煤壁方向可視性良好、支架縱向長(zhǎng)度大幅縮短、可減弱對(duì)頂板的破壞、增大支架的可變化高度等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提升了支架的工作效率，提高了薄煤層的開采效率。

目前，三維建模和仿真分析技術(shù)已經(jīng)在液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化方面得到了廣泛應(yīng)用，具有獨(dú)特的效率優(yōu)勢(shì)和直觀優(yōu)勢(shì)。目前使用有限元方法對(duì)液壓支架分析的主要內(nèi)容包含支架強(qiáng)度的分析、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，優(yōu)化措施一般包含補(bǔ)強(qiáng)和加厚[3-4]。由于支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及模擬仿真軟件在建模方面的局現(xiàn)性，建模工作和仿真工作通常分開進(jìn)行，實(shí)體建模一般選用Creo和Solidworks，模擬仿真軟件一般選用ABAQUS和ANSYS[5-6]，對(duì)不同軟件的特色功能擇優(yōu)使用，并相互協(xié)同聯(lián)合分析是一種普遍選擇。分析的部位主要包含頂梁、底座、立柱和柱窩[7]等；對(duì)支架模擬的目的多為改造支架；對(duì)支架整架的模擬主要是通過模擬各種典型工況來(lái)實(shí)現(xiàn)[6,8-9]。本文在GB 25974.1-2010國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確定的模擬方案是首先在前、后頂梁同時(shí)加載試驗(yàn)條件時(shí)，驗(yàn)證并分析支架在底座固定、導(dǎo)柱偏心加載時(shí)應(yīng)力及位移的分布狀態(tài)；其次在前頂梁?jiǎn)我患虞d試驗(yàn)條件下，驗(yàn)證并分析支架在5種工況下的應(yīng)力及位移的分布狀態(tài)。

1 液壓支架的三維建模

由于Workbench側(cè)重于仿真模擬，相較于其他 的建模軟件，其CAE建模效率并不高。而Solidworks側(cè)重于繪制三維模型圖，其優(yōu)點(diǎn)是在人為修改模型部件尺寸時(shí)可以保持模型最新參數(shù)，并且有豐富直觀的裝配關(guān)系?？紤]到Workbench前端接口的豐富性，前期依托Solidworks軟件先建立三維實(shí)體模型并進(jìn)行裝配，之后再用ANSYS的仿真環(huán)境Work- bench進(jìn)行屬性的賦值、邊界的設(shè)定等，再進(jìn)行有限元非線性計(jì)算，以兼顧建模效率和計(jì)算速率。

本文采用Solidworks在裝配環(huán)境中按照自上而下的原則為整架支架建立三維模型。在劃分網(wǎng)格時(shí)，過于復(fù)雜的部件網(wǎng)格會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，為了保證計(jì)算的效率和準(zhǔn)確度，需要在建立實(shí)體部件之前對(duì)支架三維模型的次要部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以有利于網(wǎng)格的均勻劃分且保證網(wǎng)格的質(zhì)量。

（1）省略對(duì)整架應(yīng)力分布影響不大的非主要承載零部件，忽略組件中的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征。如前后側(cè)護(hù)板、護(hù)幫板、推桿、管卡、閥墊塊、限位板、主肋上的小孔等。只保留前后立柱、前后頂梁、兩垂直導(dǎo)柱、底座等主要承載結(jié)構(gòu)。

（2）對(duì)于焊縫的處理。一般焊接工藝設(shè)計(jì)焊縫強(qiáng)度高于母材，故從材料強(qiáng)度的角度考慮，可以將焊接位置用實(shí)體材料代替；從結(jié)構(gòu)的角度考慮，焊縫結(jié)構(gòu)特征十分微小，所以不單獨(dú)考慮焊縫建模。具體如角焊縫位置、坡口焊位置等。

（3）考慮到后期網(wǎng)格劃分的有效性和單元的容錯(cuò)性，對(duì)一些小尺寸的倒角、圓角也進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，避免低質(zhì)量網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

（4）模型中各零部件在裝配時(shí)要按照實(shí)際工況下的尺寸關(guān)系進(jìn)行精確組裝，不得出現(xiàn)干涉問題。

在Solidworks中建立簡(jiǎn)化后的ZC9600/16/31型液壓支架實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 ZC9600/16/31液壓支架實(shí)體模型

2 液壓支架的有限元分析

2.1 加載方式以及試驗(yàn)條件的確定

在對(duì)整架進(jìn)行有限元分析時(shí)，由于該液壓支架屬于特殊架型，相關(guān)的壓架試驗(yàn)在GB 25974.1-2010國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出詳盡的標(biāo)準(zhǔn)，因此，根據(jù)以往礦井支架的使用維修經(jīng)驗(yàn)和關(guān)于液壓支架的研究方法，確定該架型在實(shí)際工作中有可能出現(xiàn)的受載狀況。在進(jìn)行壓架試驗(yàn)時(shí)盡量與實(shí)際受載相符合，同時(shí)參考主流的四連桿充填液壓支架國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以及考慮垂直導(dǎo)柱式充填液壓支架特殊結(jié)構(gòu)及其承載特性，采用了立柱內(nèi)加載方式，確定了6種工況下的有限元分析，大致可以分為正常加載和偏載兩類。正常加載有：底座固定、導(dǎo)柱偏心加載；前頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)加載；前頂梁扭轉(zhuǎn)、底座兩端加載；前頂梁縱向中間加載、底座橫向中間加載；前頂梁球窩處、底座球窩處加載。偏載有：前頂梁偏載、底座偏載。

結(jié)合該支架的支撐高度范圍，本次模擬的液壓支架的試驗(yàn)高度設(shè)為2.6 m，試驗(yàn)壓力為額定壓力（9600 kN）的1.2倍，即11 520 kN。

2.2 有限元分析預(yù)處理

實(shí)體模型在建立、簡(jiǎn)化之后導(dǎo)入Workbench進(jìn)行預(yù)處理和模擬計(jì)算。煤礦使用的液壓支架采用 的材料通常有Q460、27SiMn等金屬材料，Q460材料密度為7.85×103kg/m3，其抗拉強(qiáng)度取550～710 MPa，屈服強(qiáng)度取460 MPa。對(duì)支架各部件的材料采用近似處理，都取E=210 GPa，μ=0.3。

在建模軟件中，裝配只是部件之間的空間關(guān)系的組合，在仿真模擬軟件中需要進(jìn)一步確定不同相關(guān)聯(lián)部件之間的接觸關(guān)系和邊界條件。將模型的底座底板下端面與底座兩墊塊上端面、頂梁上端面與頂梁墊塊下端面均設(shè)置為面-面接觸。頂梁墊塊上端面和底座墊塊下端面采用固定約束。

模型采用自由網(wǎng)格Solid186（3D20N）單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)部分錯(cuò)誤網(wǎng)格進(jìn)行修正，處理后的單元數(shù)為375 055個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為278 575個(gè)。

3 結(jié)果分析

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力的最大值大于材料的屈服極限時(shí)，支架結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞失效。以下對(duì)各種工況的模擬分別從應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)角度對(duì)整架和部件進(jìn)行分析。

（1）工況1：底座固定、導(dǎo)柱偏心加載。按照工況1的條件進(jìn)行加載和后處理運(yùn)算，整架的應(yīng)力和位移分布如圖2所示。液壓支架的應(yīng)力不均勻分布，垂直導(dǎo)柱以及前、后頂梁鉸接處應(yīng)力較高，其余的部件由于形態(tài)均勻且無(wú)約束，受力相對(duì)較小，整架所受最大應(yīng)力為391.69 MPa，整架的最大位移量出現(xiàn)在后頂梁側(cè)筋板處，為6.7166 mm，其他零部件受到的應(yīng)力值均低于選用Q460材料屈服強(qiáng)度，說(shuō)明該工況下的支架滿足設(shè)計(jì)要求與使用條件。

圖2 工況1下的整機(jī)應(yīng)力與位移

（2）工況2：前頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)加載。按照工況2的條件進(jìn)行加載和后處理運(yùn)算，得到支架整架的應(yīng)力和位移分布如圖3所示。由圖3可知，前頂梁兩端加載時(shí)，在前頂梁的墊塊位置出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為454.18 MPa，非常接近屈服強(qiáng)度，但是從工程實(shí)踐的角度看，結(jié)合支架設(shè)計(jì)和檢修經(jīng)驗(yàn)，工程中該部位少有破壞發(fā)生，且頂梁表面為整體均一結(jié)構(gòu)，受力規(guī)律應(yīng)當(dāng)均一，之所以出現(xiàn)應(yīng)力最大值是因?yàn)閴|塊與頂梁的接觸面積較小，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，故墊塊處應(yīng)力值僅作參考，不重點(diǎn)關(guān)注。除此之外，前頂梁柱窩處應(yīng)力值最大為299.36 MPa；最大位移變形量位于后頂梁的一側(cè)位置，為6.232 mm。底座受扭轉(zhuǎn)時(shí)，底座的應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力主要在底座受扭轉(zhuǎn)一側(cè)的主筋前端，底座過橋位置、前頂梁的中部主筋也 出現(xiàn)了較大面積的應(yīng)力分布，其值均低于最大屈服強(qiáng)度460 MPa，說(shuō)明該工況下的支架滿足設(shè)計(jì)要求與使用條件。

圖3 工況2下的整機(jī)應(yīng)力與位移

（3）工況3：前頂梁偏載、底座對(duì)稱加載。支架在工況3的試驗(yàn)條件下應(yīng)力和位移云圖如圖4所示。柱窩處應(yīng)力集中明顯，接近支架材料Q460的屈服強(qiáng)度，可以在結(jié)構(gòu)上主肋板局部加厚補(bǔ)強(qiáng)。過橋處應(yīng)力也較高，但均小于該支架材料Q460的屈服強(qiáng)度，最大變形出現(xiàn)在前頂梁的一側(cè)外主筋處，最大變形值為4.5525 mm，說(shuō)明該工況下的支架滿足設(shè)計(jì)要求與使用條件。

圖4 工況3下的整機(jī)應(yīng)力與位移

（4）工況4：前頂梁扭轉(zhuǎn)、底座兩端加載。按照工況4的條件進(jìn)行加載和后處理運(yùn)算，應(yīng)力和位移情況如圖5所示。由圖5可知，高應(yīng)力區(qū)分布在 頂梁墊塊位置以及頂梁一側(cè)柱窩位置，其余構(gòu)件的應(yīng)力相對(duì)較小。頂梁一側(cè)柱窩所受應(yīng)力最大，為442.9 MPa，在許用范圍內(nèi)。位移最大處位于后頂梁的尾部，為5.7017 mm，前頂梁變形呈現(xiàn)出弓形變化趨勢(shì)，說(shuō)明該工況下的支架滿足設(shè)計(jì)要求與使用條件。

圖5 工況4下的整機(jī)應(yīng)力與位移

（5）工況5：前頂梁縱向中間加載、底座橫向中間加載。支架在工況5時(shí)應(yīng)力和位移分布如圖6所示，應(yīng)力最大處位于前頂梁中間墊塊，為307.06 MPa，其余構(gòu)件均小于材料Q460屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。最大位移變形量位于底座前端位置，由于內(nèi)加載且底座前端沒有約束，所以前端在前垂柱的作用下發(fā)生較大程度的變形，為2.7714 mm，說(shuō)明該工況下的支架滿足設(shè)計(jì)要求與使用條件。

圖6 工況5下的整機(jī)應(yīng)力與位移

（6）工況6：前頂梁球窩處、底座球窩處加載。圖7所示為工況6下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，最大應(yīng)力及位移分別為223.97 MPa和0.3048 mm。應(yīng)力和變形的最大處為前頂梁的柱窩處，相對(duì)應(yīng)的底座的前柱窩處的應(yīng)力也較大，但數(shù)值均小于屈服強(qiáng)度，在該強(qiáng)度試驗(yàn)下，支架符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 工況6下的整機(jī)應(yīng)力與位移云圖

通過上述6個(gè)工況下的有限元分析，結(jié)合工程實(shí)踐，后期處理數(shù)據(jù)時(shí)排除墊塊的影響，可以看出，該支架各部件的最大應(yīng)力值都在屈服強(qiáng)度以下，最大變形值均在合理范圍之內(nèi)。針對(duì)頂梁應(yīng)力較大處以及底座過橋內(nèi)側(cè)圓角處有應(yīng)力較為集中，可考慮結(jié)構(gòu)上主肋板和倒圓角等局部做適當(dāng)?shù)募雍裉幚砘蜻x擇高強(qiáng)度材料，以提高安全系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過Solidworks對(duì)垂直導(dǎo)柱式充填液壓支架進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并利用ANSYS Workbench對(duì)支架進(jìn)行了6種工況下的有限元計(jì)算分析。模擬的工況大致可以分為正常加載和偏載兩類，正常加載形式有：底座固定、導(dǎo)柱偏心加載，前頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)加載，前頂梁扭轉(zhuǎn)、底座兩端加載，前頂梁縱向中間加載、底座橫向中間加載，前頂梁球窩處、底座球窩處加載；偏載有：前頂梁偏載、底座偏載。

經(jīng)過以上6種工況的仿真模擬，得出了各種情況下的液壓支架的變形與應(yīng)力分布特點(diǎn)，各工況中最大應(yīng)力值為454.18 MPa，在材料的許用范圍之內(nèi)，說(shuō)明支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)達(dá)到要求。經(jīng)過對(duì)多種工況的模擬計(jì)算，可以為支架材料的合理布局、選取和部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。