熊安平

摘 要：本文主要從大型接卸結(jié)構(gòu)件的空間受力層面，進行深入的分析和研究，以經(jīng)典的液壓支架頂梁為主要案例進行解析，使用Pro/E 構(gòu)建三維模型，引入ANSYS并對其進行結(jié)構(gòu)有限元研究。經(jīng)過對比，證明構(gòu)建模型和有限元研究的重要性。并且通過應力和位移等值圖中相關(guān)數(shù)據(jù)，提出科學的解決方案。

關(guān)鍵詞：計算機使用；有限元研究；液壓支架；ANSYS；現(xiàn)狀；解決的措施

大型機械中最受設(shè)計人員關(guān)注的就是其結(jié)構(gòu)件的強度和剛度，過去的強度和剛度在測驗的時候，往往會耗損大量的時間，并且得到的數(shù)據(jù)也很少。隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，大型的繁瑣的結(jié)構(gòu)件模型測試也得到了迅猛的發(fā)展，并且為其提供了健全的測試空間。使用彈性力學有限元方式作為結(jié)構(gòu)分析的基本學習方法，能夠取得比在實驗室更多的資料信息，從而給結(jié)構(gòu)件構(gòu)造、測試和改革提供全新合理的數(shù)據(jù)資料。本文主要是通過對現(xiàn)代化礦井中綜合機械化采煤設(shè)備液壓支架的頂梁案例進行深入分析，針對其中危險程度較高的試驗工況，也就是所謂的頂梁扭轉(zhuǎn)加載，第一使用空間力學的知識來研究其中的受力情況，再根據(jù)有限元法進行詳細計算，從而更加準確地體現(xiàn)出頂梁的應力集中分布狀況、形態(tài)和應力布局狀況。并且給出合理化的意見，為頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供有效的幫助。

1 頂梁扭轉(zhuǎn)的空間力學研究

在對頂梁強硬程度檢測的過程中，多種工況的構(gòu)建是以墊塊樣式和方位的轉(zhuǎn)換來完成的。針對頂梁加扭轉(zhuǎn)載荷是多種加載模式中比較危險的一種情況，也就是把頂面墊塊進行不對稱分布，使得頂梁出現(xiàn)彎折和扭轉(zhuǎn)的情況。液壓支架的力學研究證明，線彈性構(gòu)造頂梁因為內(nèi)部壓力和外界的因素的影響，會出現(xiàn)變形的狀況，立柱在支架頂梁中發(fā)揮著巨大的作用。為了更好地進行計算，下面進行以下假想：方墊的受力面積平均，根據(jù)墊塊的布局載荷，可以比作是受力在墊塊中心的集中力Q1，和中面相距為b1，共同作用點位置和長墊塊中面的距離為L1；長墊塊中的載荷是呈現(xiàn)出了梯形的線性構(gòu)造，共同的力Q2和中面相距為b2，數(shù)量不知?，F(xiàn)在以所有的頂梁為主要研究目標，根據(jù)靜力平衡條件構(gòu)建頂梁中的空間力系的常用方程。

2 頂梁扭轉(zhuǎn)中的有限元研究

頂梁扭轉(zhuǎn)中的有限元研究屬于結(jié)構(gòu)靜力學的知識范疇，研究的基本過程是：構(gòu)建實體模型——規(guī)定材料屬性——單位有關(guān)屬性——網(wǎng)絡(luò)的分類——構(gòu)建約束和載荷——研究求解—資料結(jié)果和圖形輸出。

2.1 構(gòu)建實體模型

建立模型要以真實的反映結(jié)構(gòu)力學的主要特點為基礎(chǔ)，對模型進行科學的規(guī)劃。液壓支架頂梁的所有都是運用的箱形焊接構(gòu)造，主要是通過柱窩、筋板等多個零件構(gòu)成。在建立的過程中，除去了和整體強硬程度沒有關(guān)系的閥板、管環(huán)等零件，進行適當簡化后的模型屬于三維不對稱實體構(gòu)造。在Pro/E中根據(jù)圖紙構(gòu)建液壓支架頂梁主要構(gòu)造，像是筋板、柱窩和蓋板等三維實體框架，再組合成為統(tǒng)一的三維實體框架，最后使用 ANSYS 中專業(yè)的接口導入ANSYS資料。

2.2 單元篩選和材料的特點

科學的運用單元類型和離散化狀態(tài)，是完成結(jié)構(gòu)有限元研究能否發(fā)揮實際效用的主要目的。根據(jù)空間不對稱受力的實際特征進行研究，在模型離散化的過程中運用三維實體單元。其中的10節(jié)點SOLID92構(gòu)造四面體實體單元是運用在CAD/CAM體系中的不規(guī)范實體模型的單元，和頂梁研究的實際狀況相吻合，所以選擇相關(guān)單元的網(wǎng)格劃分。

2.3 邊界要求和載荷附加

支架頂梁有限元研究結(jié)果的準確性，不但要依靠科學的模型構(gòu)建，還需要對邊界要求進行規(guī)定。

（1）依據(jù)有關(guān)要求規(guī)定墊塊方位，選擇方塊奠定面中心的節(jié)點1和相對應的長墊塊頂部的兩個節(jié)點2、3，限制坐標中的X、Y、Z方位的平移狀況。選擇相對應長墊塊和方墊塊頂面邊線中節(jié)點限制的Y的平移狀況。

（2）頂梁和連桿利用銷軸相融合，連桿作為二力桿，是為了更加簡便地計算出實際的模擬狀況，限制頂梁銷軸孔圓弧面中整體節(jié)點在連桿位置的平移程度。利用圓弧面中心構(gòu)建部分坐標系，并且使坐標系Y軸和連桿的方向相融合。把圓弧面中所有的節(jié)點坐標系轉(zhuǎn)移到相關(guān)部位的坐標系中，限制這些節(jié)點Y方向的平移狀況。支架頂梁和立柱和球面相碰撞，但是球面載荷的解決比較棘手。依據(jù)圣維南原理，對球面接觸載荷的相關(guān)作用進行簡化。但是因為支架前后立柱工作受到了嚴重的阻礙，依據(jù)液壓支架通用技術(shù)要求中的有關(guān)限定，支架試驗載荷大約承受了1.2倍的阻力，主要是計算機在窩柱靜力前后所形成的等效面載荷。因為支架本身重量較大，其中的重力載荷也比較大。通過對比可以看見，力學研究進行簡化可能會產(chǎn)生誤差，但是有限元的計算結(jié)果和實際結(jié)果相吻合。雖然兩者在銷軸孔出的差別比較大，但是研究結(jié)果證明，空間力學研究和有限元研究所得出的形狀的轉(zhuǎn)變和應力布局規(guī)律，以及測驗結(jié)構(gòu)都相同，這種方式是具有實際意義的。

3 結(jié)語

針對結(jié)構(gòu)的工程研究雖然知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的一個中間部分，但是結(jié)構(gòu)構(gòu)建的主要目的是為了提出科學合理化的解決方案，就是在定載荷因素中，得出最科學合理的設(shè)計。所以在結(jié)果研究的層面上，給出相關(guān)的解決措施；（1）在主筋前后柱窩的地方添上適量的強筋，從而更好地提升頂梁的承受能力；（2）加大銷軸孔出的壁厚程度，強化相應的結(jié)構(gòu)強度；（3）前后端蓋板部位所受應力比較小，承受能力空間比價大，所以選擇比較薄的板材或是性質(zhì)比較差的材料；（4）蓋板尖角位置需要進行到角處理，蓋板中的方孔角制作成為圓角，減輕局部的應力凝聚；（5）還有，不要在主筋應力較大的地方進行鉆孔，這樣會大大地減輕主筋的承受能力。

參考文獻

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