應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析

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(jìn)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(jìn)行解析，使用Pro/E 構(gòu)建三維模型，引入ANSYS并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元研究。經(jīng)過(guò)對(duì)比，證明構(gòu)建模型和有限元研究的重要性。并且通過(guò)應(yīng)力和位移等值圖中相關(guān)數(shù)據(jù)，提出科學(xué)的解決方案。

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

大型機(jī)械中最受設(shè)計(jì)人員關(guān)注的就是其結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，過(guò)去的強(qiáng)度和剛度在測(cè)驗(yàn)的時(shí)候，往往會(huì)耗損大量的時(shí)間，并且得到的數(shù)據(jù)也很少。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，大型的繁瑣的結(jié)構(gòu)件模型測(cè)試也得到了迅猛的發(fā)展，并且為其提供了健全的測(cè)試空間。使用彈性力學(xué)有限元方式作為結(jié)構(gòu)分析的基本學(xué)習(xí)方法，能夠取得比在實(shí)驗(yàn)室更多的資料信息，從而給結(jié)構(gòu)件構(gòu)造、測(cè)試和改革提供全新合理的數(shù)據(jù)資料。本文主要是通過(guò)對(duì)現(xiàn)代化礦井中綜合機(jī)械化采煤設(shè)備液壓支架的頂梁案例進(jìn)行深入分析，針對(duì)其中危險(xiǎn)程度較高的試驗(yàn)工況，也就是所謂的頂梁扭轉(zhuǎn)加載，第一使用空間力學(xué)的知識(shí)來(lái)研究其中的受力情況，再根據(jù)有限元法進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，從而更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出頂梁的應(yīng)力集中分布狀況、形態(tài)和應(yīng)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(jì)提供有效的幫助。

1 頂梁扭轉(zhuǎn)的空間力學(xué)研究

在對(duì)頂梁強(qiáng)硬程度檢測(cè)的過(guò)程中，多種工況的構(gòu)建是以墊塊樣式和方位的轉(zhuǎn)換來(lái)完成的。針對(duì)頂梁加扭轉(zhuǎn)載荷是多種加載模式中比較危險(xiǎn)的一種情況，也就是把頂面墊塊進(jìn)行不對(duì)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(xué)研究證明，線彈性構(gòu)造頂梁因?yàn)閮?nèi)部壓力和外界的因素的影響，會(huì)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(jìn)行計(jì)算，下面進(jìn)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(diǎn)位置和長(zhǎng)墊塊中面的距離為L(zhǎng)1；長(zhǎng)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。現(xiàn)在以所有的頂梁為主要研究目標(biāo)，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(xué)的知識(shí)范疇，研究的基本過(guò)程是：構(gòu)建實(shí)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(shí)體模型

建立模型要以真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃。液壓支架頂梁的所有都是運(yùn)用的箱形焊接構(gòu)造，主要是通過(guò)柱窩、筋板等多個(gè)零件構(gòu)成。在建立的過(guò)程中，除去了和整體強(qiáng)硬程度沒有關(guān)系的閥板、管環(huán)等零件，進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后的模型屬于三維不對(duì)稱實(shí)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(shí)體框架，再組合成為統(tǒng)一的三維實(shí)體框架，最后使用 ANSYS 中專業(yè)的接口導(dǎo)入ANSYS資料。

2.2 單元篩選和材料的特點(diǎn)

科學(xué)的運(yùn)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(shí)際效用的主要目的。根據(jù)空間不對(duì)稱受力的實(shí)際特征進(jìn)行研究，在模型離散化的過(guò)程中運(yùn)用三維實(shí)體單元。其中的10節(jié)點(diǎn)SOLID92構(gòu)造四面體實(shí)體單元是運(yùn)用在CAD/CAM體系中的不規(guī)范實(shí)體模型的單元，和頂梁研究的實(shí)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(zhǔn)確性，不但要依靠科學(xué)的模型構(gòu)建，還需要對(duì)邊界要求進(jìn)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(diǎn)1和相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)墊塊頂部的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)2、3，限制坐標(biāo)中的X、Y、Z方位的平移狀況。選擇相對(duì)應(yīng)長(zhǎng)墊塊和方墊塊頂面邊線中節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)便地計(jì)算出實(shí)際的模擬狀況，限制頂梁銷軸孔圓弧面中整體節(jié)點(diǎn)在連桿位置的平移程度。利用圓弧面中心構(gòu)建部分坐標(biāo)系，并且使坐標(biāo)系Y軸和連桿的方向相融合。把圓弧面中所有的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到相關(guān)部位的坐標(biāo)系中，限制這些節(jié)點(diǎn)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(duì)球面接觸載荷的相關(guān)作用進(jìn)行簡(jiǎn)化。但是因?yàn)橹Ъ芮昂罅⒅ぷ魇艿搅藝?yán)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(yàn)載荷大約承受了1.2倍的阻力，主要是計(jì)算機(jī)在窩柱靜力前后所形成的等效面載荷。因?yàn)橹Ъ鼙旧碇亓枯^大，其中的重力載荷也比較大。通過(guò)對(duì)比可以看見，力學(xué)研究進(jìn)行簡(jiǎn)化可能會(huì)產(chǎn)生誤差，但是有限元的計(jì)算結(jié)果和實(shí)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(xué)研究和有限元研究所得出的形狀的轉(zhuǎn)變和應(yīng)力布局規(guī)律，以及測(cè)驗(yàn)結(jié)構(gòu)都相同，這種方式是具有實(shí)際意義的。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)結(jié)構(gòu)的工程研究雖然知識(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的一個(gè)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(xué)合理化的解決方案，就是在定載荷因素中，得出最科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。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(qiáng)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(qiáng)化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（3）前后端蓋板部位所受應(yīng)力比較小，承受能力空間比價(jià)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(jìn)行到角處理，蓋板中的方孔角制作成為圓角，減輕局部的應(yīng)力凝聚；（5）還有，不要在主筋應(yīng)力較大的地方進(jìn)行鉆孔，這樣會(huì)大大地減輕主筋的承受能力。

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