Workbench在液壓支架靜力學分析中的應用

鹽城工業職業技術學院汽車工程學院 唐正偉

Workbench在液壓支架靜力學分析中的應用

鹽城工業職業技術學院汽車工程學院 唐正偉

利用PRO-E建立液壓支架整體模型，并導入到Workbench，利用有限元分析方法，選取頂梁兩端加載及底座對角加載這種工況對液壓支架進行有限元靜力學強度分析，用以判斷在該加載情況下，液壓直接受力的變化。

液壓支架；Workbench；有限元

引言

液壓支架是采煤時的保護裝置，種類很多，但是他們的功能基本上相同。液壓支架按自己的結構特點和對于圍巖的相互之間的作用關系可分為三類：支撐式、掩護式和支撐掩護式[1]。它的作用是保證工人安全及各項工作正常進行。特別是安全的要求，井下工作人員的安全，設備與整個綜合采煤工作的安全。

隨著計算機技術的發展，受力的機械零部件越來越多地利用應力方面的分析軟件用以分析。

1 液壓支架靜力學模型建立

1.1 支架整架模型建立

兩柱掩護式液壓支架[1]主要由底座、前后連桿、掩護梁、頂梁等組成，而且其結構相當復雜，所以我們在建立模型的時候應適當地進行合理的簡化。

整架模型簡化原則：

（1）整架模型簡化：根據支架在做試驗的時候對受力影響情況的不同，忽略非主要的承載部件，比如推移液壓千斤頂、尾梁等等；

（2）零部件內部簡化：將整架模型內部簡化，比如一些比較小的特征如圓角和倒角等等；

（3）受力不重要的結構，可以忽略，而主要的受力部件的尺寸不可以改動。

根據上面的簡化原則我們利用PRO-E三維建模軟件建立整架模型，如圖1所示。

圖1 整架模型

為提高有限元前處理和求解的效率問題，我們就要對建立的液壓支架模型進行特征的簡化。

將三維模型導入Workbench中，對模型進行適當的簡化，并通過軟件彈出的報告檢查模型實體、面、線、頂點數量以及尺寸、體積，驗證模型導入的準確性。檢查后發現，模型導入后無數據丟失，導入正確。導入正確后，對液壓支架進行網格劃分。模型有限元模型最終劃分為58668個單元，1155109個節點，支架整架網格圖如圖2所示。

圖2 整架網格

2 液壓支架靜力學分析

我們都知道液壓支架在不同的工況下[2]受力情況不相同，而液壓支架的外部受力情況是不可以測量的，試驗方法為立柱內加載，根據液壓支架的工作需要我們選擇頂梁兩端加載及底座對角加載進行分析。

2.1 載荷與約束設置

為確保分析結果正確，除了上面我們提到的模型導入正確與網格劃分的恰當性之外還需要正確的邊界條件。需要特別注意的是，在確定邊界條件時，應該符合實際工況，并對剛體位移進行約束。根據上面的工況，對液壓支架，立柱內加載的載荷大小為10800KN，并施加在柱窩球面的上面。

2.2 分析求解

液壓支架所采用的材料是Q690、30SiMnSi，我們通過材料管理器進行對材料屬性的添加。

在分析的時候，我們還需要設置接觸類型[3]，接觸算法等。液壓支架各個部件分別采用綁定連接，這樣做可以保持各個部件的屬性特點。接觸方式選擇frictional，摩擦系數設置為0.15。通過分析得到的應力結果云圖，如圖3所示。

圖3 頂梁兩端加載及底座對角加載靜應力云圖

在此次計算中，因為所加墊塊的影響，在墊塊與頂梁接觸邊界區域引起較大的應力集中。不考慮應力集中的影響，支架的最大應力為546MPa，支架在這種情況下工作是安全的。在實際壓架試驗中應力集中處出現凹坑現象。

3 結語

本文利用Pro/E軟件完成支架整架模型的建立，接著將模型導入Ansysworkbench中進行靜力學分析，由以上分析可知，液壓支架最大應力值達到546MPa，在超載時極易發生破壞，這與支架在壓架試驗時的情況是一致的。

[1]王國法,史元偉,陳忠怒等.液壓支架技術[M].北京：煤炭工業出版社,1999.

[2]孫鵬飛,佟林陽,王宇等.基于Ansys軟件的液壓支架參數化有限元疲勞分析[J].煤礦機械,2011(11).

[3]陳超,陳榮娜,鞏子天縱等.ZZ10800/22/45液壓支架強度及疲勞分析[J].煤炭技術,2014(05).

唐正偉，男，1989年出生，江蘇鹽城人，碩士研究生。