基于ANSYS的液壓支架及底座強度分析

張衛星

【摘 要】液壓支架是煤礦綜采最重要的支護設備，針對液壓支架的兩種不同工況，基于有限元數值模擬方法，采用ANSYS分析軟件對支架進行了靜態結構分析，得出了支架整體模型和關鍵部件的穩態應力場特性。

【關鍵詞】液壓支架；有限元；強度；應力場

Analysis of Hydraulic Support and Base Strength Based on ANSYS

ZHANG Wei-xing

（Qingdao Huanghai College，Qingdao Shandong 266427，China）

【Abstract】Hydraulic support is one of the most important supporting equipments in coal mining.According to the two different working conditions of hydraulic support，finite element numerical simulation method based on the support for the static structure analysis using ANSYS analysis software，the steady support overall model and key components of the stress field characteristics.

【Key words】Hydraulic support；FEA；Strength；Simulation；Stress field

0 引言

在當今社會，煤礦資源的開采利用效率與各個行業的經濟效益有著直接的關系，因此，建立高產高效的煤礦生產條件是煤礦企業開發研究的重點目標之一[1]。液壓支架作為高效的煤礦井下的最主要的安全支護設備，其發展速度也非常快，隨著科技的快速進步，液壓支架朝著穩定、安全和自動化程度極高的方向迅猛發展。性能優良、安全可靠的液壓支架對于煤礦井下采煤效率的提高有著非常關鍵的作用。為此，本文基于有限元方法，通過ANSYS分析液壓支架及底座在不同載荷條件下的應力場和變形場[2]。

1 有限元分析的應用

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想就是把復雜的問題采用相對簡單的問題來逐步代替，即將許許多多的子解集最終組合而成有限元分析結果的求解值，并且每個子解集對問題的解答都有一個相對比較恰當的接近值，通過對這些問題以及必要條件的綜合考慮來進行有限元分析計算，從而可以最終推導出滿足每個問題解的解集[3]。雖然這些解集是位計算中的近似解答，但是它是在滿足解決條件對問題進行很大的簡化。對于一個完整的分析來說，使用有限元分析方法的步驟是十分相似的，一般來說主要分為一下幾個關鍵的步驟：

1）前處理。有限元分析的準備步驟稱為前處理，是進行計算與分析的定義階段。通過前處理過程，可以對液壓支架的各個部件進行材料屬性的定義，選擇合理的結構分析單元類型。當進行瞬態分析時，需要對分析步和載荷步進行適當的定義。前處理的主要內容包括模型修改，對模型施加邊界條件以及約束，載荷等。

2）劃分網格。有限元分析的最關鍵技術之一為網絡的劃分，網格計算的精確度直接關系到結果計算的精度。如果網格劃分的太過粗糙，會明顯的增大誤差的數量級，但是如果網格太過于密集，會大大降低計算的效率，甚至導致計算結果發生不收斂。

3）求解及后處理。ANSYS當中有著十分強大的求解器，根據荷載及邊界條件的不同，可以計算出所需要的不同的結果，比如變形、應力、應變、反作用力等。

液壓支架在設計過程當中最關鍵的因素為安全及穩定性的安全及穩定性，將有限元分析應用到液壓支架的分析能夠有效地提升產品設計的性價比。在ANSYS中，可以針對液壓支架在各種工況下的承載情況進行結構分析和研究，該分析結果可以為高質量液壓支架的設計提供一定的理論依據。

2 模型前處理

2.1 載荷定義

為了模擬出在支架頂梁的不同工況，本文共設置了2種不同的邊界條件，每種邊界條件的計算都有各自不同的特點，比如，在承受載荷方面，頂梁主要承受扭轉與兩端之間的集中載荷。因此，在進行有限元分析之前，前處理階段需要針對兩種不同的工況來施加相應的約束以及載荷。針對前扭轉，后扭轉以及兩端集中載荷的情形分別對兩端進行UX、UY、UZ 方向的自由度的不同約束。

2.2 網格劃分

一般情況下，應用于ANSYS最多的網格劃分方法有三種：自由網格、映射網格以及掃掠式網格。自由網格的劃分不受零件形狀的限制，非常適用于復雜零件的劃分，但是計算時的效率不如映射網格和掃略網格[4]。在進行映射網格和掃掠網格劃分時，要求被劃分對象的結構簡單、平整。由于液壓支架的零件眾多，結構復雜，采用自由網格的劃分方法更合適。本文針對液壓支架模型特點以及計算機運行能力，最終得出液壓支架整體的網格劃分模型如圖1示。

3 結果分析

3.1 工況一（頂梁受偏心載荷且底座兩端受載）

對于第一種工況，液壓支架的等效應力與變形云圖如圖2所示，在該工況下進行的有限元的計算通過前段施加扭轉載荷的方式完成，從結果中可以看出：液壓支架承受應力最大的位置位于底座的前端；在該承載條件下，液壓支架的應力峰值為779.8MPa，最大變形量為34.9mm；在該載荷條件下的液壓支架，不同零部件的應力狀況與分布具有明顯的差異性。

底座的應力與變形曲線如圖3所示，從計算結果中可明顯地看出：底座的應力與變形分布是比較對稱的；底座結構中，最大的應力區域為在四根主筋以及底座前端蓋板，底座主筋位置處的柱窩承受非常大的應力，因此易產生裂紋，應力峰值位于次主筋，該位置的應力值為365.955MPa，最大變形量為3.384mm；除了底座柱窩和主筋之外的位置，其承受的應力值均較小，甚至幾乎為零。

通過對底座的靜態承載分析可知：當頂梁受到偏心載荷時，底座的前端會將到較大的扭轉作用力，使得底座出現的最大變形區主要分布在前部。由于底座結構復雜，承載集中且數值較大，因此，將不可避免的產生應力集中現象。局部的應力集中現象并不能直接作為判定零件失效強度的標準[5]，特別在靜力學計算時，需要綜合考慮結構的形狀和載荷條件。由于液壓支架在工作過程中承受動載荷的時候比較多，在應力集中的影響下，底座零件在該位置處承受交變載荷，易產生局部損傷，應適當改進此結構。

3.2 工況二（頂梁受扭轉載荷且底座兩端受載）

液壓支架處于該種載荷條件時，計算得出液壓支架的整體應力和變形云圖如圖4所示。從圖中可以看出：相比于第一種工況條件，液壓支架在該工況條件下的應力分布表現的更加均勻；應力值最大的部件主要為頂梁和底座，支架的最大應力為882.263MPa，要大于第一種工況載荷條件的應力峰值，其最小應力同樣接近于零。

底座的應力與變形云圖如圖5所示，與第一種工況載荷條件下的計算結果略有不同：在底座的四根主筋中，應力分布更加對稱，而且峰值集中于中上端位置；最大應力位置接近柱窩上端，為346.977MPa，最大變形量為3.748mm，同樣易產生疲勞裂紋；中部和前段的蓋板應力分布在底座后端的一側位置；底座內部其它位置的筋板受力均比較小。

4 結語

1）在兩種最常見的工況載荷下，液壓支架底座中最容易發生疲勞裂紋的位置為柱窩。在底座承受扭轉載荷時，柱窩位置的應力集中最為明顯，因此，文中提出采用強度更高的鋼板給其加固處理，并且適當增大過橋位置處的過渡圓角半徑，以達到減小應力集中的目的。

2）靜載荷作用下的強度幾乎不受到應力集中的影響，因此，綜合考慮機構的超靜定問題，一般可以忽略局部的應力集中現象。主筋肋板處應力較大，而且在實際工作面工作過程中，底座底板接觸存在很大的變數，更容易產生破壞。

【參考文獻】

[1]毛昌明.基于現代設計方法的液壓支架研究[D].太原：太原理工大學，2006.

[2]桑沖峰.液壓支架數字化設計平臺的關鍵技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2009.

[3]王寶明.液壓支架關鍵元件內部流動及系統工作特性研究[D].北京：中國礦業大學，2011.

[4]曹方梅.ZY8800/22/45D型液壓支架有限元分析及強度優化[D].成都：電子科技大學，2008.

[5]王曉卓，劉旭.兩柱掩護式液壓支架技術現狀及發展趨勢[J].中州煤炭，2009（1）：41-41.

[責任編輯：田吉捷]