礦用液壓支架掩護梁結構強度優化的研究

孫婉婷，鄭典亮

(吉林化工學院 航空工程學院,吉林 吉林 132022)

液壓支架在煤礦開采中經常受到撞擊、高強度壓力等長時間外界載荷作用，從而導致其結構嚴重變形、斷裂等故障.其中，由于受到頂梁偏載和扭轉的作用，掩護梁的結構變形、斷裂失效等故障最為嚴重，這也是導致液壓支架發生故障的重要因素之一.因此對掩護梁的結構進行優化，是液壓支架整體優化的重點工作之一[1-5].從目前研究看來液壓支架的優化不能單純從增加支撐鋼板厚度和材料強度入手，還要考慮價格、運輸、生產效率等實際問題，應從改變設計結構入手，向輕量化和高強度方向發展.在滿足國家標準的基礎上，降低生產成本和運輸成本，使得產品具備更高的競爭力[6].本文希望通過對液壓支架掩護梁的結構優化設計完成液壓支架的薄弱部位的強化結構和降低總體重量的優化目標.

1 液壓支架掩護梁三維立體建模和有限元模型的建立

1.1 三維幾何建模及網格劃分

運用SolidWorks軟件對液壓支架的頂梁、掩護梁、立柱、底座等各部分進行了建模和整體裝配(見圖1).通過對液壓支架各種工況下載荷分析得出在液壓支架工作過程中掩護梁受力最高，特別是在扭轉工況下破壞最為嚴重[7-8].本文利用HyperMesh對液壓支架的掩護梁進行二階四面體單元網格劃分(見圖2)，設置網格尺寸為20 mm，為了保證網格質量，對模型進行了簡化，主要是去掉對受力影響不大的圓角和倒角.

圖1 液壓支架三維模型

圖2 掩護梁網格劃分

1.2 扭轉工況下掩護梁邊界條件及載荷施加

模型采用液壓支架常用材料Q690，設置材料彈性模量為200 GPa，泊松比為0.2，密度為ρ=7 850 kg/m3.忽略焊接處材料的不同，把掩護梁看成同材料整體建模，對掩護梁和頂梁及掩護梁和連接處進行了節點位移約束，根據《MT312-2000液壓支架通用技術條件》對液壓支架掩護架扭轉工況下收偏載和進行受力分析，建立受力模型.通過建立液壓支架空間受力分析模型分離得出掩護架受力，分別對前連桿與掩護梁連接處兩參考點施加7 900 kN和1 090 kN的集中載荷.

1.3 優化前計算結果分析

如圖3為優化前模型掩護梁Miss應力云圖,圖4為優化前掩護梁位移云圖.利用Hyper Mesh軟件運算得出掩護梁的最大等效應力值為1 774 MPa，超出材料強度范圍，應力集中主要出現在左側肋板圓孔前端，最大位移為12.02 mm,在掩護梁左側中部會出現震動,因此應對此部分結構進行強化設計.優化前掩護梁模型的重量為2.87 t.

圖3 掩護梁Mises應力云圖

圖4 掩護梁位移云圖

2 結構優化方案的建立和結果分析

2.1 優化方案的建立

利用Hyper Mesh軟件的拓撲優化功能對掩護梁有限元靜力學分析模型進行運算，根據模型分析結果和應力分布特點，初步制定了優化調整方案.為了增加應力集中處的結構強度，適當增加加強筋板，并根據仿真結果調整加強筋板支撐位置和筋板厚度.同時減少底板等其它應力分布較小的部位的板筋厚度，以減輕掩護梁總體重量，完成輕量化設計.掩護梁初步優化方案結構圖見圖5，基于以上為扭轉工況下掩護梁結構優化的初步思路，為后續仿真優化模型奠定基礎[9-13].

圖5 優化方案結構圖

2.2 優化模型的建立及結果分析

根據上述分析結果，得出掩護梁扭轉情況下的初步結構優化方案.依據對掩護梁應力應變較大的部位進行強化結構，同時使總體重量輕量化的原則，根據拓撲分析結果，在后連桿連接處增加加強肋板，對部分筋板進行鋼板厚度調整.對液壓支架掩護梁結構優化模型進行參數化優化建模，主要包括對優化模型進行材料屬性、網格劃分、邊界條件、載荷定義等有限元前處理，設置條件與優化前掩護梁模型工況一致.經過對優化方案結構參數的不斷調整和計算分析，得出如圖6所示的四個優化方案的分析結果.

從圖6中的四個優化方案的最大位移結果可以看出.通過優化處理后方案四(圖6(d))的掩護梁在扭轉工況下受到優化前相同載荷時，其最大應力分別可由1 774 MPa降到1 340 MPa，降低了434 MPa，占初始最大應力的24.46%，結構強度明顯提高.通過拓撲優化分析，適當降低應力分布少的部位的鋼板厚度，利用Hyper Mesh軟件重量測量工具得出每個優化模型的重量，如表1分別列出了4個優化方案的最大應力、最大位移和重量數據.

(a)方案一應力分布圖

(b)方案二應力分布云圖

(c)方案三應力分布圖

(d)方案四應力分布云圖圖6 優化方案應力分析結果

表1 優化方案結果分析對比

從表1結果可以看出，優化方案三和優化方案四的掩護梁在受扭轉載荷工況下的最大應力降低比較明顯，優化方案一和優化方案四的最大位移有所降低，優化方案二、方案三和方案四的重量下降較多，綜合以上三項分析結果方案四總體優化效果最理想，最大應力降到了初始模型的75.54%，掩護梁整個重量可以降到2.676 t，優化后質量減小194 kg，位移變形也有所降低.本次優化在加強扭轉工況下掩護梁的結構強度的同時降低了掩護梁整體重量.

3 結 論

通過分析液壓支架空間力學模型，對液壓支架的掩護梁在扭轉工況下進行了模擬分析和結構優化，在拓撲優化分析的基礎上增加筋板的同時，考慮減小頂部板厚，經過多次模型結構尺寸的調整，建立若干個結構優化模型，對每個結構優化模型進行了相同工況下的靜力學分析，通過數據對比分析最終得到結構優化方案四的最大應力減小到原有模型的75.54%，重量減小了194 kg為初始掩護梁模型的6.76%，變形也有所降低，取得了比較理想的優化效果.本文優化方案的制定為掩護梁結構強度優化提供了新思路.掩護梁作為液壓支架關鍵部件，扭轉工況下的掩護梁是液壓支架的薄弱部件，掩護梁的合理優化為液壓支架整體的優化提供了有效補充.在保證液壓支架安全性的同時滿足了結構強化和輕量化設計的要求，從而降低了生產和運輸成本.