基于ABAQUS的液壓支架主體結構有限元分析

摘要：應用有限元分析軟件ABAQUS，模擬計算和分析了兩柱掩護式液壓支架在頂梁扭轉工況下主體結構的應力分布情況。分析結果為液壓支架的設計和結構優化提供了理論依據和參考。

關鍵詞：液壓支架 有限元分析 ABAQUS

中圖分類號：TD335 文獻標識碼:A 文章編號: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備之一。傳統液壓支架的設計，往往是通過制作物理樣機并進行試驗來得到液壓支架的應力情況，這種方法雖然可行，但將耗費大量的人力物力與時間，效率較低。隨著市場需求的日益擴大，要求液壓支架的規格型式日趨多樣，研發周期要求不斷縮短，結構、性能等要求也不斷提高，因此，采用先進的技術方法和手段進行液壓支架的設計是一種必然選擇。本文運用三維建模軟件Pro/E創建液壓支架模型，解決了有限元分析軟件ABAQUS在建模上的不足，進而模擬計算和分析了頂梁扭轉工況下液壓支架主體結構的應力分布情況，并對結果進行了分析與評價。

2 液壓支架的三維建模

應用三維建模軟件Pro/E創建液壓支架的三維模型，但在將三維模型導入ABAQUS之前需要在Pro/E中完成兩步準備工作。

第一步，為了便于模型的導入與網格的劃分，需要對液壓支架三維模型進行必要的簡化處理，具體的操作如下：

（1）將液壓支架頂梁、掩護梁及底座中對應力分析影響不大的的擋塊、耳板、管環等構件去除掉；

（2）由于在有限元分析過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，因而為了節省計算時間，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MT312-2000《液壓支架通用技術條件》，在頂梁扭轉工況下的支架實驗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”格式后導入ABAQUS中，如圖1所示。

3 液壓支架主體結構的有限元分析

模型倒入成功后，對支架主體進行靜力學分析。通過Property模塊定義支架材料屬性，并將材料屬性賦予對應的部件。文中兩柱掩護式液壓支架設計中使用的鋼材為低合金高強度結構鋼Q460，假定材料均勻、各向同性，其材料參數分別為，泊松比：0.3；楊氏模量：210000MPa；密度：7.8×10-9ton/mm3；屈服強度：460MPa。并在Assembly模塊中對液壓支架各部件進行裝配關系的確定，其中頂梁與掩護梁、掩護梁與前后連桿、前后連桿與底座均采用Hinge（鉸鏈）連接。

在對支架主體結構的有限元分析過程中，邊界條件的處理對分析結果有著重要的影響，邊界條件與實際工況是否吻合將直接影響到分析結果的正確性與合理性。MT312-2000《液壓支架通用技術條件》對一般支架型式試驗、強度試驗規定了十幾種工況，實踐表明，液壓支架承受偏載和扭轉工況是支架結構損壞的最主要原因。本文將重點針對液壓支架頂梁扭轉工況進行分析。

由于頂板起伏不平，支架上方經常存在浮矸，加上在工作面的正常推進中，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，從而造成液壓支架的偏載，其結果使頂梁及掩護梁受扭。本課題將模擬分析頂梁扭轉工況，通過對頂梁及底座施加墊塊來模擬頂梁扭轉工況，墊塊施加方式如圖2所示。

本文對支架主體結構進行有限元靜力學分析，實驗條件為支架強度實驗，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的工作阻力，為1318kN。

進行有限元分析，需要對虛擬模型進行網格劃分。在ABAQUS中，通過Mesh模塊進行網格劃分。網格劃分時需要兼顧計算的精度和運算的速度，網格的選取要適中，在能保證精度的前提下盡量降低計算復雜程度從而提高運算速度。

由于液壓支架結構比較復雜，所以本文選用自由網格四節點四面體C3D4模式進行網格劃分，網格的近似尺寸大小設為50。在進行網格劃分時常常會出現零件劃分不了的情況，這種情況多數是由于導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體進行分割再進行網格劃分。網格劃分情況如圖3所示。

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

圖5 掩護梁與平衡千斤頂鉸接處應力分布局部放大圖

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

4 結語

本文運用有限元分析軟件ABAQUS對兩柱掩護式液壓支架的主體結構進行了靜力學分析，分析結果表明：

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

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

參考文獻

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[3] 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答，2009.

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