ANSYS應用于U型鋼支架、鋼管混凝土圓形支架的對比模擬

朱思剛 彭 浩

（棗莊礦業集團有限（責任）公司蔣莊煤礦，山東 滕州 277519）

蔣莊煤礦南總回風巷南一采區段采用U型鋼支架支護，由于受動壓影響，巷道長時間失修，造成U型鋼支架局部變形。通過受力分析，對不封閉型U型鋼可縮性支架進行了ANSYS有限元數值模擬。同時對鋼管混凝土圓形支架進行受力分析和ANSYS有限元數值模擬，通過對比尋求更優化的支護形式。

1 U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架數值模擬

1.1 U型鋼可縮支架數值模擬步驟

（1）用Solidworks建立U型鋼模型

ANSYS的前處理模塊有建模功能，可以建立復雜的模型，而且有限元模型和結構實體模型在幾何外形上是基本一致的。根據結構的幾何外形，忽略對結果影響較小的次要的因素，抓住結構外形的主要因素建立模型，是進行有限元建模的基礎。U29型鋼可縮性支架的截面，是一個形狀極為不規則的平面。由于無法預知節點的位置、編號、單元的大小形狀等信息，故使用間接法建模即用Solidworks建立U型鋼的模型。

建模思路如下：①用三維建模軟件Solidworks畫出U型鋼支架的各部分零件；②用三維建模軟件Solidworks把U型鋼支架的各部分零件裝配起來；③把裝配好的U型鋼支架導入到ansys中并進行應力分析。

（2）用ANSYS對U型鋼進行網格劃分

網格劃分可以完成實體模型和有限元模型之間的過渡，將實體模型離散成為一系列按照一定方式組合在一起的小單元，產生有限元計算所需要的節點和單元。它一般包括3個步驟：定義單元屬性、定義網格屬性(可選)、生成網格閉。ANSYS提供了3種劃分方式：自由劃分、映射劃分、自由和映射結合劃分，可以完成各個圖元的網格劃分。

（3）對U型鋼的表面施加面力并對其進行求解。

1.2 鋼管混凝土圓形支架數值模擬

（1）建模

圓形截面的尺寸如下：外徑150mm，內徑140mm，壁厚5mm，圓拱半徑2.2m。建模時，需要用到ANSYS軟件的前處理器/PREP7，鋼管采用SOLID45單元，核心混凝土采用SOLID65單元。構件是截面為圓形的封閉型圓管。構件模型建立完成后，定義單元的各項材料參數。即輸入鋼材和混凝土的彈性模量、泊松比等各項參數。

（2）網格劃分

單元參數定義完成后即可進行網格劃分。此處建模為實體建模，實體建模可以采用自由網格、映射網格和掃略生成體網格三種不同的網格劃分形式，由于鋼管混凝土構件有規則的形狀，因此此處采用映射網格。 映射面網格包含四邊形或三角形單元，本次模擬應用四邊形單元。

（3）施加載荷、邊界條件

網格劃分完成后即可施加邊界條件與載荷并進行解算。在ANSYS中施加載荷時需要考慮將載荷施加在實體模型（點、線、面）上或有限元模型（節點、單元）上。本文中的模型采用實體建模，因此載荷直接施加在構件的上表面上。

施加載荷時有時需要用到載荷步，載荷步是為了獲得解答而做的載荷設置，載荷步可以包括N個子步，子步是求解載荷步過程中的計算點，子步采用平衡迭代法求解，而平衡迭代是為了使子步收斂的附加解。

施加約束條件（DOF約束）時，鋼管混凝土構件（直長管）下表面的所有節點的垂直自由做約束，上表面節點的自由度不做任何約束。然后在鋼管混凝土構件的上表面施加表面載荷（Surface Load），即表面壓力載荷。

施加完載荷后需要對求解過程進行求解設定才能完成最后的求解。求解設定包括分析類型、求解控制、載荷步設定、輸出控制等。在ANSYS求解過程中尤其重要的是求解控制，求解控制中選項的設定關系到整個求解過程的時間長短、計算結果的精確與否等。求解過程中需要特別關注的是非線性選項，包括收斂準則的選擇、平衡迭代的最大次數、時間步長。

在本文模擬中，應力載荷分為30個子步。計算時打開自動時間步長選項，以便系統自動調節時間步長，能夠減少精度和迭代之間的誤差。為了確定求解過程是否收斂，打開線性搜索選項，設置最大迭代次數為100次，收斂容許誤差設為0.008。

（4）求解

在本文模擬計算中，計算的模型為非線性解算，求解器采用系數矩陣直接求解器，針對非線性計算采用Newton-Raphson方程求解。

2 U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架位移對比

比較U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架的位移大小情況，如圖1所示：

圖1 位移總量對比

鋼管混凝土圓形支架的位移量明顯小于不封閉型U型鋼可縮性支架，即鋼管混凝土圓形支架承載能力明顯高于不封閉型U型鋼可縮性支架。蔣莊煤礦早期采用的U型支架都是不封閉型的，2013年以后采用封閉型U型鋼支架，日后當封閉型U型鋼支架產生變形后可以采用鋼管混凝土圓形支架，能確保支護效果大為改善。