基于ANSYS軟件的液壓支架前頂梁疲勞壽命分析

張磊 王義賽 劉子奇 李木蘭

摘? 要：隨著煤炭開采的工作環境越來越嚴峻，對液壓支架前頂梁的要求也愈加嚴格。文章采用Pro/E軟件建立液壓支架前頂梁的三維實體模型，并用ANSYS軟件分析在各種工況下前頂梁的疲勞壽命，分析出影響其壽命突變的主要原因，進而優化模型設計。分析結果表明前頂梁在單側受力情況下，應力應變最大，最容易影響前頂梁的使用壽命。該研究可以有效提高液壓支架前頂梁的安全性和可靠性，在實際應用中有一定的參考價值。

關鍵詞：液壓支架;有限元;疲勞壽命;前頂梁

中圖分類號：TD355? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0037-02

引言

液壓支架是煤礦井下的最主要的安全支護設備，因此采用性能優良、安全可靠的液壓支架可以有效提高煤礦的開采效率。然而，在液壓支架實際工作中，由于前頂梁所受壓力分布不均，焊接工藝性存在差異，選用材料強度不合適等原因，會增加企業的生產維修成本，影響產品的市場化，甚至在工作時引發嚴重的工礦事故，造成人身傷亡。

針對液壓支架可靠性的研究，國內學者田立勇等人以ZZC8800/20/38型六柱支撐式固體充填液壓支架底座為研究對象，利用三維建模軟件建立了底座的有限元模型，在ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析，對液壓支架底座結構參數進行優化[1]。王京濤等人對液壓支架設計具有耗時、耗材、成本高等缺陷，提出一種利用ANSYS和BP神經網絡相結合對掩護梁進行輕量化和壽命預測的設計方法[2]。高耀東等人選擇液壓支架頂梁偏載和底座兩端集中載荷、頂梁扭轉和底座兩端集中載荷工況進行分析，得到了較可靠的分析結果[3]。張愛東等人對頂梁進行了整體強度分析以及基于疲勞壽命可靠性的結構優化[4]。董建榮等人結合有限元分析方法對液壓支架掩護梁結構進行了可靠性優化設計，通過實驗的對比分析獲得了最佳的可靠性優化設計方案，經過優化設計后的液壓支架降低了重量及成本[5]。

通過對國內諸多學者的研究可知，目前對于液壓支架受力分析的研究有很多，但對于其前頂梁使用疲勞壽命的研究比較單一。因此，本文是基于有限元的分析方法，利用Pro/E軟件建立液壓支架前頂梁的三維實體模型[6]。通過ANSYS有限元分析四柱液壓支架前頂梁的疲勞強度，并對其進行壽命分析，為設計安全可靠的前頂梁提供理論依據。

1 液壓支架三維模型建立

本文采用Pro/E軟件建立前頂梁的幾何模型：

頂梁作為支架的主要的支撐部件，它直接和頂板接觸，并通過它把頂板壓力傳遞給立柱，因此支架的支護性能直接由頂板的支護能力決定。頂梁是由鋼板焊接成的箱體結構，如圖1所示，在材料厚度不變的前提下，為了提高頂梁的強度剛度，多采用圓角和加強筋的設計，將頂梁內部分成多個封閉的小箱體，避免棱角處的應力集中。這不僅減小了前頂梁的質量，而且也滿足了良好的強度和經濟性要求。

2 液壓支架前頂梁有限元分析

本文采用ANSYS Workbench軟件對前頂梁的幾何模型進行有限元分析。假設前頂梁的材料為Q460，參照文獻[7]確定以下參數，材料密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服強度為460MPa，拉伸強度為550-710MPa。

將構件近似看成是若干個小的單元組成，對要進行分析的構件進行離散化，這些若干單元之間可以看成是由假想的節點連接的，并且通過這些節點相互作用和傳遞力。應用靜力等效原則將離散單元上的外力近似的等效到節點上去，進而模擬實際工況中受到的力。在每個節點上建立力和位移的線性代數方程，帶入位移約束條件，求解各節點的位移量，最終得到所需的應力應變。

該方法可以有效解決應力分析中的一些復雜問題，如難以處理的邊界條件，非線性等問題。采用有限元法可以更好的模擬分析液壓支架前頂梁在井下的工作狀態，計算出應力集中的地方，找出設計的缺陷。

2.1 網格化分及施加載荷

因為頂梁的結構簡單，所以采用自由網格劃分的方法，在劃分時要遵循以下幾個原則[8]：（1）前頂梁的尺寸較大，個別地方受力比較集中，因此網格劃分局部需要細化，如柱窩、棱角位置，這些地方應力容易集中，需要提高計算的精度。（2）網格劃分越精密計算精度越高，但也會增加計算的時間和占用的空間，因此應該合理的規劃網格化分的密度。

按照以上原則，對頂梁采取自由網格劃分，劃分尺寸為20mm，設置密度級為3，共得到個1545665單元格，2184673個節點。

2.2 應力應變分析

液壓支架在井下工作時，受力復雜，在軟件中難以完全模擬其工作的真實情況。依據《液壓支架通用技術條件》[9]的規定，選取了3種比較有代表性的工況進行分析，分別是：（1）頂梁兩端載荷;（2）頂梁集中載荷;（3）頂梁單側偏載。鑒于以往研究分析可知，當前頂梁受單側偏載時，前頂梁的疲勞壽命突變最為嚴重。在前頂梁單側加上F=6800kN的靜壓力，得到圖1（a）的應力云圖。

從結果可以看出，橫肋板處的應力較高，為488.84MPa，但在抗拉強度的允許范圍以內，滿足目前的要求。

2.3 疲勞強度分析

在static structural模塊的solution中插入fatigue tools工具，液壓支架前頂梁內部結構主要是焊接而成，表面存在應力集中和材料缺陷，取 fatigue strength factor為0.7，按照《液壓支架通用技術條件》對耐久性能實驗的規定，將最大載荷定為額定工作阻力的1.2倍，最小載荷為額定工作阻力的0.25倍。在fatigue tool中加入Life選項求解，計算出該前頂梁單側受力情況下的壽命云圖，如圖1（b）所示。

得到疲勞壽命的分析后，可以添加安全系數分析工具，更直觀地分析頂梁何處滿足設計要求、何處需要進行改進或者重新設計。插入 Safety factor，設置單側加載次數1000次，將Design life設置為1000，得到安全系數。從安全系數結果可以看出，橫肋板下的兩個窩柱的安全系數最小，只有0.66左右。因此需要對柱窩處進行優化，加強該處的強度。

3 優化設計

實驗表明液壓支架在單側受力時，在柱窩處最容易發生應力集中和疲勞失效，這也與之前理論分析的結果吻合。可以通過在柱窩處進行表層高頻感應淬火，加強接觸表面的強度，改善表層組織，細化組織結構，延長前頂梁在不同工況下的使用壽命。對于選用材料和前頂梁的結構優化設計如下：

（1）原設計中頂梁主肋上的主肋板、貼板及加強板均采用鋼材Q550，從各種工況下分析的結果來看，可考慮降低材料的強度等級，建議采用Q460;頂梁中蓋板原設計中采用Q460，根據分析的結果建議使用鋼材16Mn。

（2）根據有限元分析的結果，針對掩護梁應力分布的特點，建議在頂梁內部柱窩附近適當焊接加強筋，提高柱窩處的強度。可適當降低內外主肋、蓋板材料的剛度，在滿足工作要求的同時又能節省經濟。

參考文獻：

[1]田立勇，隋然，宋振鐸，等.基于有限元法的固體充填液壓支架底座結構參數優化[J].機械設計，2018，35（02）：98-104.

[2]王京濤，陸金桂，趙東波，等.液壓支架掩護梁結構優化及疲勞壽命預測[J].礦業研究與開發，2016，36（09）：72-75.

[3]高耀東，周同.用有限元法模擬液壓支架強度試驗[J].機械設計，2018，35（12）：66-71.

[4]張愛東，商德勇，石哲敏.ZF4000/17.5/28HL型液壓支架頂梁可靠性優化設計[J].煤炭技術，2016，35（01）：221-223.

[5]董建榮，張欣.液壓支架掩護梁可靠性優化設計方法研究[J].中國礦業，2017，26（06）：161-165.

[6]牛清娜，張平格.基于Pro/E和ANSYS的液壓支架有限元分析[J].煤礦機械，2015，36（12）：266-267.

[7]趙東波，陸金桂，姚靈靈.液壓支架頂梁疲勞壽命的改進神經網絡預測[J].礦業研究與開發，2015，35（12）：106-109.

[8]曹連民，郭成，郭震，等.基于ANSYS Workbench的垛式超前支架有限元分析[J].煤炭技術，2018，37（04）：204-206.

[9]中華人民共和國煤炭行業標準.

MT312-2000.液壓支架通用技術條件[S].北京：煤炭工業出版社，2001.