基于ABAQUS的液壓支架主體結(jié)構(gòu)有限元分析

摘要：應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，模擬計(jì)算和分析了兩柱掩護(hù)式液壓支架在頂梁扭轉(zhuǎn)工況下主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果為液壓支架的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：液壓支架 有限元分析 ABAQUS

中圖分類(lèi)號(hào)：TD335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2011)12(c)-0000-00

1 前言

液壓支架是煤礦綜采工作面三大配套設(shè)備之一。傳統(tǒng)液壓支架的設(shè)計(jì)，往往是通過(guò)制作物理樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)得到液壓支架的應(yīng)力情況，這種方法雖然可行，但將耗費(fèi)大量的人力物力與時(shí)間，效率較低。隨著市場(chǎng)需求的日益擴(kuò)大，要求液壓支架的規(guī)格型式日趨多樣，研發(fā)周期要求不斷縮短，結(jié)構(gòu)、性能等要求也不斷提高，因此，采用先進(jìn)的技術(shù)方法和手段進(jìn)行液壓支架的設(shè)計(jì)是一種必然選擇。本文運(yùn)用三維建模軟件Pro/E創(chuàng)建液壓支架模型，解決了有限元分析軟件ABAQUS在建模上的不足，進(jìn)而模擬計(jì)算和分析了頂梁扭轉(zhuǎn)工況下液壓支架主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。

2 液壓支架的三維建模

應(yīng)用三維建模軟件Pro/E創(chuàng)建液壓支架的三維模型，但在將三維模型導(dǎo)入ABAQUS之前需要在Pro/E中完成兩步準(zhǔn)備工作。

第一步，為了便于模型的導(dǎo)入與網(wǎng)格的劃分，需要對(duì)液壓支架三維模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理，具體的操作如下：

（1）將液壓支架頂梁、掩護(hù)梁及底座中對(duì)應(yīng)力分析影響不大的的擋塊、耳板、管環(huán)等構(gòu)件去除掉；

（2）由于在有限元分析過(guò)程中立柱與平衡千斤頂是以載荷的形式施加在液壓支架上的，因而為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，用載荷代替立柱和平衡千斤頂。

第二步，確定液壓支架的高度。根據(jù)MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》，在頂梁扭轉(zhuǎn)工況下的支架實(shí)驗(yàn)高度為支架最大高度減去支架行程的三分之一。因而將此液壓支架分析高度定為4200mm。

完成以上兩步操作后，將Pro/E下液壓支架三維模型的裝配文件保存副本為“x_t”格式后導(dǎo)入ABAQUS中，如圖1所示。

3 液壓支架主體結(jié)構(gòu)的有限元分析

模型倒入成功后，對(duì)支架主體進(jìn)行靜力學(xué)分析。通過(guò)Property模塊定義支架材料屬性，并將材料屬性賦予對(duì)應(yīng)的部件。文中兩柱掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)中使用的鋼材為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q460，假定材料均勻、各向同性，其材料參數(shù)分別為，泊松比：0.3；楊氏模量：210000MPa；密度：7.8×10-9ton/mm3；屈服強(qiáng)度：460MPa。并在Assembly模塊中對(duì)液壓支架各部件進(jìn)行裝配關(guān)系的確定，其中頂梁與掩護(hù)梁、掩護(hù)梁與前后連桿、前后連桿與底座均采用Hinge（鉸鏈）連接。

在對(duì)支架主體結(jié)構(gòu)的有限元分析過(guò)程中，邊界條件的處理對(duì)分析結(jié)果有著重要的影響，邊界條件與實(shí)際工況是否吻合將直接影響到分析結(jié)果的正確性與合理性。MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》對(duì)一般支架型式試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定了十幾種工況，實(shí)踐表明，液壓支架承受偏載和扭轉(zhuǎn)工況是支架結(jié)構(gòu)損壞的最主要原因。本文將重點(diǎn)針對(duì)液壓支架頂梁扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行分析。

由于頂板起伏不平，支架上方經(jīng)常存在浮矸，加上在工作面的正常推進(jìn)中，支架的順序移架使頂梁上方頂板的垮落趨向總是朝向自由面大的一側(cè)，從而造成液壓支架的偏載，其結(jié)果使頂梁及掩護(hù)梁受扭。本課題將模擬分析頂梁扭轉(zhuǎn)工況，通過(guò)對(duì)頂梁及底座施加墊塊來(lái)模擬頂梁扭轉(zhuǎn)工況，墊塊施加方式如圖2所示。

本文對(duì)支架主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)條件為支架強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，所以在柱窩處施加的載荷為立柱工作阻力的1.2倍，為3600kN；與平衡千斤頂交接處施加的載荷為平衡千斤頂?shù)墓ぷ髯枇?，?318kN。

進(jìn)行有限元分析，需要對(duì)虛擬模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在ABAQUS中，通過(guò)Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)需要兼顧計(jì)算的精度和運(yùn)算的速度，網(wǎng)格的選取要適中，在能保證精度的前提下盡量降低計(jì)算復(fù)雜程度從而提高運(yùn)算速度。

由于液壓支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以本文選用自由網(wǎng)格四節(jié)點(diǎn)四面體C3D4模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的近似尺寸大小設(shè)為50。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)零件劃分不了的情況，這種情況多數(shù)是由于導(dǎo)入的模型本身存在缺陷，如筋板與蓋板連接處存在縫隙等。遇到這種情況可先將實(shí)體進(jìn)行分割再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

由圖4可以得出頂梁扭轉(zhuǎn)工況下液壓支架的最大應(yīng)力為417.3MPa，而Q460的屈服強(qiáng)度為460MPa，因而液壓支架相對(duì)比較安全。頂梁和掩護(hù)梁與平衡千斤頂鉸接處應(yīng)力集中較明顯。掩護(hù)梁與平衡千斤頂鉸接處應(yīng)力分布局部放大圖如圖5所示。

圖5 掩護(hù)梁與平衡千斤頂鉸接處應(yīng)力分布局部放大圖

由圖5可以看出，掩護(hù)梁與平衡千斤頂鉸接處受力較大，建議提高此處各構(gòu)件的材料強(qiáng)度或筋板厚度以確保安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明：

（1）在頂梁扭轉(zhuǎn)工況下液壓支架的最大應(yīng)力值為417.3MPa，小于Q460的屈服極限460MPa，因而液壓支架整體相對(duì)比較安全。

（2）液壓支架主體結(jié)構(gòu)所選材料強(qiáng)度普遍偏高，而頂梁和掩護(hù)梁與平衡千斤頂鉸接處應(yīng)力集中過(guò)于明顯，建議提高此處各構(gòu)件的材料強(qiáng)度或筋板厚度以確保安全。

參考文獻(xiàn)

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