鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 唐正偉

Workbench在液壓支架靜力學(xué)分析中的應(yīng)用

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 唐正偉

利用PRO-E建立液壓支架整體模型，并導(dǎo)入到Workbench，利用有限元分析方法，選取頂梁兩端加載及底座對(duì)角加載這種工況對(duì)液壓支架進(jìn)行有限元靜力學(xué)強(qiáng)度分析，用以判斷在該加載情況下，液壓直接受力的變化。

液壓支架；Workbench；有限元

引言

液壓支架是采煤時(shí)的保護(hù)裝置，種類(lèi)很多，但是他們的功能基本上相同。液壓支架按自己的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對(duì)于圍巖的相互之間的作用關(guān)系可分為三類(lèi)：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式[1]。它的作用是保證工人安全及各項(xiàng)工作正常進(jìn)行。特別是安全的要求，井下工作人員的安全，設(shè)備與整個(gè)綜合采煤工作的安全。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，受力的機(jī)械零部件越來(lái)越多地利用應(yīng)力方面的分析軟件用以分析。

1 液壓支架靜力學(xué)模型建立

1.1 支架整架模型建立

兩柱掩護(hù)式液壓支架[1]主要由底座、前后連桿、掩護(hù)梁、頂梁等組成，而且其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，所以我們?cè)诮⒛Ｐ偷臅r(shí)候應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。

整架模型簡(jiǎn)化原則：

（1）整架模型簡(jiǎn)化：根據(jù)支架在做試驗(yàn)的時(shí)候?qū)κ芰τ绊懬闆r的不同，忽略非主要的承載部件，比如推移液壓千斤頂、尾梁等等；

（2）零部件內(nèi)部簡(jiǎn)化：將整架模型內(nèi)部簡(jiǎn)化，比如一些比較小的特征如圓角和倒角等等；

（3）受力不重要的結(jié)構(gòu)，可以忽略，而主要的受力部件的尺寸不可以改動(dòng)。

根據(jù)上面的簡(jiǎn)化原則我們利用PRO-E三維建模軟件建立整架模型，如圖1所示。

圖1 整架模型

為提高有限元前處理和求解的效率問(wèn)題，我們就要對(duì)建立的液壓支架模型進(jìn)行特征的簡(jiǎn)化。

將三維模型導(dǎo)入Workbench中，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并通過(guò)軟件彈出的報(bào)告檢查模型實(shí)體、面、線(xiàn)、頂點(diǎn)數(shù)量以及尺寸、體積，驗(yàn)證模型導(dǎo)入的準(zhǔn)確性。檢查后發(fā)現(xiàn)，模型導(dǎo)入后無(wú)數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)入正確。導(dǎo)入正確后，對(duì)液壓支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型有限元模型最終劃分為58668個(gè)單元，1155109個(gè)節(jié)點(diǎn)，支架整架網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 整架網(wǎng)格

2 液壓支架靜力學(xué)分析

我們都知道液壓支架在不同的工況下[2]受力情況不相同，而液壓支架的外部受力情況是不可以測(cè)量的，試驗(yàn)方法為立柱內(nèi)加載，根據(jù)液壓支架的工作需要我們選擇頂梁兩端加載及底座對(duì)角加載進(jìn)行分析。

2.1 載荷與約束設(shè)置

為確保分析結(jié)果正確，除了上面我們提到的模型導(dǎo)入正確與網(wǎng)格劃分的恰當(dāng)性之外還需要正確的邊界條件。需要特別注意的是，在確定邊界條件時(shí)，應(yīng)該符合實(shí)際工況，并對(duì)剛體位移進(jìn)行約束。根據(jù)上面的工況，對(duì)液壓支架，立柱內(nèi)加載的載荷大小為10800KN，并施加在柱窩球面的上面。

2.2 分析求解

液壓支架所采用的材料是Q690、30SiMnSi，我們通過(guò)材料管理器進(jìn)行對(duì)材料屬性的添加。

在分析的時(shí)候，我們還需要設(shè)置接觸類(lèi)型[3]，接觸算法等。液壓支架各個(gè)部件分別采用綁定連接，這樣做可以保持各個(gè)部件的屬性特點(diǎn)。接觸方式選擇frictional，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。通過(guò)分析得到的應(yīng)力結(jié)果云圖，如圖3所示。

圖3 頂梁兩端加載及底座對(duì)角加載靜應(yīng)力云圖

在此次計(jì)算中，因?yàn)樗訅|塊的影響，在墊塊與頂梁接觸邊界區(qū)域引起較大的應(yīng)力集中。不考慮應(yīng)力集中的影響，支架的最大應(yīng)力為546MPa，支架在這種情況下工作是安全的。在實(shí)際壓架試驗(yàn)中應(yīng)力集中處出現(xiàn)凹坑現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用Pro/E軟件完成支架整架模型的建立，接著將模型導(dǎo)入Ansysworkbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，由以上分析可知，液壓支架最大應(yīng)力值達(dá)到546MPa，在超載時(shí)極易發(fā)生破壞，這與支架在壓架試驗(yàn)時(shí)的情況是一致的。

[1]王國(guó)法,史元偉,陳忠怒等.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1999.

[2]孫鵬飛,佟林陽(yáng),王宇等.基于Ansys軟件的液壓支架參數(shù)化有限元疲勞分析[J].煤礦機(jī)械,2011(11).

[3]陳超,陳榮娜,鞏子天縱等.ZZ10800/22/45液壓支架強(qiáng)度及疲勞分析[J].煤炭技術(shù),2014(05).

唐正偉，男，1989年出生，江蘇鹽城人，碩士研究生。