大采高液壓支架三維建模與有限元分析

金煥成

摘 要：為了提高大采高液壓支架的設計水平，利用Pro/E軟件建立了大采高液壓支架的三維實體模型，并將模型利用接口導入到ANSYS中，在分析大采高液壓支架工況基礎上，通過定義單元類型、實常數、材料屬性等，將支架信息輸入到有限元分析軟件中，通過合理的定義載荷和約束，獲得了支架頂梁受兩端集中載荷、底座扭轉載荷工況下的應力云圖，直觀地獲取了支架的應力應變情況。

關鍵詞：大采高液壓支架 三維建模 有限元分析

中圖分類號：TD35 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0042-02

厚煤層綜采過程中，大采高綜采被廣泛應用，大采高液壓支架是綜采的關鍵裝備之一。近年來，我國液壓支架設計與制造技術得到了較大的提高，但與先進發達國家技術水平相比，我國大采高液壓支架方面的設計與制造仍然還有差距，主要有以下幾個領域，一是設計理念和設計手段落后，三維建模軟件、有限元分析軟件都為國外開發，應用時一些關鍵問題沒有得到很好的解決，三維仿真和數值模擬技術沒有廣泛地應用在大采高液壓支架的設計中；二是液壓支架相關標準要求比國外發達國家的要求低，大采高液壓支架性能的試驗水平不高；三是液壓支架的操作和控制技術自動化程度較低，移架速度與自動化操控相比低得多，雖然部分支架采用電液控制系統，提高了移架速度，但應用范圍并不廣；四是在支架關鍵零件的材料制備和加工工藝方面仍很落后。為了提高高端支架的設計與制造水平，近年來我國投入大量財力、物力、人力對大采高強力液壓支架的關鍵技術進行攻關研究，大采高液壓支架受力復雜，厚煤層綜采過程中工作面支架受非常大的頂板圍巖的作用力，常規液壓支架受力分析的方法不能完全照搬到大采高液壓支架設計中，該文進行了大采高液壓支架三維建模與有限元分析的研究。

1 大采高液壓支架載荷特性分析

大采高液壓支架所受載荷與綜采工作面煤層地質條件有關，復雜的煤層地質條件致使支架在工作過程中承載狀態的復雜性。根據相關研究分析，大采高液壓支架載荷主要有對稱集中載荷和非對稱集中載荷兩類。支架承受對稱的集中載荷又分為支架頂梁中部受集中載荷和支架頂梁前后端集中載荷兩種。液壓支架受非對稱載荷作用時，支架的結構不僅承受垂直的縱向載荷，還要承受橫向扭轉載荷的作用。

2 某型大采高液壓支架實體模型的建立

由于大采高液壓支架的頂梁、底梁、掩護梁等為復雜的多腔室薄壁箱形焊接結構，完全按照實體結構建立三維模型非常困難，因此該文在對支架結構進行合理的簡化后，用 Pro/E軟件對整架建立了三維實體模型，如圖1所示。

3 ANSYS有限元分析

將Pro/E軟件建立的三維建模，通過接口導入到 ANSYS軟件中，然后對模型進行了網格劃分以生成節點和單元，并定義了實常數、材料屬性、單元屬性，選擇好單元類型，根據支架工作受力情況，定義了載荷和約束，對不同工況分別進行了有限元分析，獲得了相應的云圖。圖2是頂梁承受兩端集中載荷、底座扭轉載荷的有限元模型，圖3為頂梁承受兩端集中載荷、底座扭轉載荷的應力云圖。

通過整架應力云圖可得出支架的應力狀況。如果施加其他類型載荷，采用同樣方法，即可獲得相應的支架應力情況。

4 結語

該文運用PRO/E軟件，對大采高液壓支架建立了三維實體模型，導入到ANSYS軟件中，對頂梁兩端集中載荷底座扭轉加載工況下進行了有限元分析，獲得了支架的整架應力云圖，對大采高液壓支架的受力情況有了直觀的掌握，為支架的結構優化提供有益參考。利用該方法，對支架的其他承載情況也能夠獲得其相應的應力云圖。

參考文獻

[1] 劉新華，王國法，劉成峰，等.兩柱大采高液壓支架的整架有限元分析[J].煤炭科學技術，2010，38（8）：93-94.

[2] 史文萍.液壓支架頂梁結構的有限元分析[J].煤礦機，2012，33（11）：78-80.

[3] 李海寧，張怡馨.液壓支架底座的有限元分析[J].煤礦機械，2011，32（1）：89-90.

[4] 徐冰，劉詳澤.ZFS6000-20-36.液壓支架頂梁設計與力分析[J].煤礦機，2010，31（5）：32-33.