基于Ansys 的礦用液壓支架底座受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

姜元元

（永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

井下煤礦開采中液壓支架是不可或缺的重要機械裝備，在保障煤礦開采安全方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。煤礦工作面的液壓支架使用量比較大，在煤礦運營成本中占據(jù)比例相對較高。利用傳統(tǒng)設計方法對礦用液壓支架進行設計時，考慮到液壓支架運行過程的可靠性要求較高，通常都會采取冗余設計的思路，即對結(jié)構(gòu)件進行加大加厚處理[2]。這種設計思路雖然能有效保障液壓支架運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，降低設備運行過程中的故障率，但與此同時會帶來一系列問題，最典型的問題是使設備變得更加笨重，浪費資源，投資成本加大[3]。近年來，有限元方法在機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方面的應用越來越廣泛，不僅可以保障機械結(jié)構(gòu)的可靠性，還能確保其結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸最優(yōu)[4]。本文以ZF3700/16/26 型液壓支架的底座為研究對象，利用Ansys 軟件對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進，效果良好。

1 液壓支架底座有限元模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

以ZF3700/16/26 型液壓支架的底座為研究對象。首先利用Pro/E 軟件構(gòu)建底座的三維幾何模型。需要指出的是，液壓支架底座的實際結(jié)構(gòu)比較復雜，包含有很多倒角、倒圓等細小結(jié)構(gòu)，且各結(jié)構(gòu)件之間多通過焊接方式進行連接。如果完全按照實際結(jié)構(gòu)建模，會導致模型非常復雜，不僅會影響計算過程的效率，甚至可能導致計算過程不收斂，無法得到想要的結(jié)果。所以建模時作簡化處理，將底座視為一個整體，且對倒角、倒圓等進行忽略[5]。

1.2 有限元模型的建立

如圖1 所示為液壓支架底座有限元模型。將建立好的三維模型導入到Ansys 軟件中。首先定義材料屬性，液壓支架底座通常使用Q550 鋼材加工制作，彈性模量和泊松比分別為2.06×105MPa 和0.28，密度為7.85 g/cm3，屈服強度和抗拉強度分別為550 MPa和630 MPa，延伸率大約為16%。模型中按照上述參數(shù)設置材料屬性，且將材料設置為各向同性，然后進行網(wǎng)格單元劃分。為了提升計算精度同時縮短計算時間，本模型基于非均勻網(wǎng)格進行劃分，在耳板和柱窩部位進行網(wǎng)格細化，選擇的網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)量依次為8 567 個和9 121 個。

圖1 液壓支架底座有限元模型

2 液壓支架底座受力分析及存在問題

2.1 受力結(jié)果分析

利用有限元分析軟件對模型進行計算后，可通過后處理模塊分析計算結(jié)果。如圖2 所示為提取得到的液壓支架底座的應力分布云圖，由圖2 可知，底座結(jié)構(gòu)工作時承受的應力呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分位置應力非常小，幾乎為0。部分位置受力相對較大，出現(xiàn)了一定的應力集中現(xiàn)象，其中受力較大的部位主要集中在墊塊、柱窩以及耳板位置，應力最大值為93.46 MPa。

圖2 液壓支架底座的應力（Pa）分布云圖

2.2 存在的問題

液壓支架底座主要利用Q550 鋼材加工制作，該材料的屈服強度為550 MPa。根據(jù)機械工程中結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)至少為1.5 的基本要求，可以計算得到Q550 材料的許用應力值為366.67 MPa。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)底座結(jié)構(gòu)的最大應力值只有93.46 MPa，遠遠低于材料的許用應力值。出現(xiàn)這種情況的主要原因是在底座結(jié)構(gòu)設計方面，將鋼材的尺寸或厚度設置過大，導致結(jié)構(gòu)件剛度、強度等出現(xiàn)了冗余。這種設計思路雖然能更好地保障底座結(jié)構(gòu)運行過程中的安全性和可靠性，能抵抗更大的外部作用力保證不發(fā)生故障問題，但是過分的冗余是對鋼材資源的浪費，會增加液壓支架整體的生產(chǎn)加工成本。

3 液壓支架底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

3.1 優(yōu)化改進思路

對于液壓支架底座，耳板、柱窩和墊板結(jié)構(gòu)是影響其性能的關(guān)鍵部位，也是影響整個底座重量比較顯著的部位，所以以上述3 個部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化對象。在ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結(jié)構(gòu)中，墊塊寬度P1、柱窩高度P2 和耳板厚度P3 的初始值分別為160 mm、350 mm 和60 mm。為了不對原始底座結(jié)構(gòu)做過多的改進，影響整個加工工藝過程。本次主要在3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值的±10%范圍內(nèi)進行優(yōu)化。如圖3 所示為確定的3 個優(yōu)化對象的尺寸變化范圍。

圖3 優(yōu)化對象的變化范圍

優(yōu)化改進過程中要求在相同的工況條件下，液壓支架底座的最大應力值不得超過Q550 材料的許用應力值，以此來保障底座結(jié)構(gòu)正常工作時的穩(wěn)定性和可靠性，以上即為優(yōu)化時的約束條件。以底座結(jié)構(gòu)的重量為優(yōu)化目標，即在尺寸變化范圍以內(nèi)，且在滿足材料許用應力值的前提下，確保結(jié)構(gòu)件的重量最低。

3.2 優(yōu)化改進結(jié)果

根據(jù)以上優(yōu)化改進思路，利用Ansys 軟件開展優(yōu)化改進工作。優(yōu)化時軟件會自動在上述3 個范圍內(nèi)分別取值，并建立有限元模型進行計算分析，然后對不同模型結(jié)果進行對比，在滿足約束條件的情況下，選出結(jié)構(gòu)件質(zhì)量最小的作為最終的優(yōu)化結(jié)果。如圖4 所示為液壓支架底座優(yōu)化前后技術(shù)指標對比情況。從圖4 中可以看出，優(yōu)化改進后的墊塊寬度、柱窩高度和耳板厚度分別為145.04 mm、324.44 mm 和54.07 mm，以上3 個結(jié)構(gòu)尺寸與原始尺寸相比較分別減小了14.96 mm、25.56 mm、5.93 mm。

圖4 液壓支架底座優(yōu)化前后技術(shù)指標對比情況

如圖5 所示為液壓支架底座優(yōu)化后的應力分布云圖。從圖5 中可以看出，優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)應力分布規(guī)律基本上與優(yōu)化前相同，同樣出現(xiàn)了一定的應力集中現(xiàn)象，主要集中在耳板、柱窩和墊塊上，但最大應力值提升到了132.31 MPa。與優(yōu)化前相比，應力最大值提升了38.84 MPa，仍然在材料的許用應力值范圍內(nèi)，可以保障底座結(jié)構(gòu)運行的可靠性。

圖5 液壓支架底座優(yōu)化后的應力（Pa）分布云圖

優(yōu)化前液壓支架底座整體質(zhì)量約為16 085 kg。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，關(guān)鍵部位的尺寸均有所降低，所以整體質(zhì)量也有所降低，最終結(jié)果約為12 943 kg。與優(yōu)化前相比較，整體質(zhì)量降低了3 142 kg，降低幅度為19.53%。大型設備重量與價格之間呈線性關(guān)系，底座結(jié)構(gòu)重量降低意味著加工成本會出現(xiàn)大幅度降低。

4 應用效果分析

為了驗證液壓支架底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進的可靠性，根據(jù)優(yōu)化方案加工底座，并將其部署到ZF3700/16/26型液壓支架工程實踐中。目前優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)在工程中已經(jīng)應用超過一年時間。整體上運行良好，沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，驗證了優(yōu)化改進的合理性。通過此次優(yōu)化改進，降低了液壓支架底座零部件的加工生產(chǎn)成本，幅度約為19.53%，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，獲得了相關(guān)技術(shù)人員的一致好評。

5 結(jié)語

以ZF3700/16/26 型液壓支架底座為研究對象，基于Ansys 軟件對底座受力情況進行分析，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。所得結(jié)論主要有：利用Ansys 軟件建立有限元模型對底座結(jié)構(gòu)的受力情況進行分析，發(fā)現(xiàn)最大應力值為93.46 MPa，遠低于Q550 材料的許用應力值，存在冗余問題；以底座整體重量為優(yōu)化目標對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進，在確保底座最大應力不超過許用應力的前提下，使其整體質(zhì)量降低了3 142 kg，降低幅度為19.53%；將優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)應用到液壓支架工程實踐中，整體運行良好，大幅度降低了底座的生產(chǎn)加工成本。