基于Workbench的液壓支架掩護梁結構強度分析

周珊珊

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠，山西 大同 037000）

煤礦綜采液壓支架的廣泛使用促使了液壓支架的不斷發展，同時也向著大型化、重量化方向發展。提高液壓支架結構的作業安全成為保障煤礦開采高效進行的關鍵[1]。

ZY12000/28/64 液壓支架在實際工程使用中具有諸多優點，如支撐性能優越、操作空間較大等。在考察某煤礦開采現場的液壓支架時，發現掩護梁與頂梁連接區域出現了局部裂紋現象。如果裂紋擴展，極容易導致液壓支架結構出現破壞失效，這將大大降低液壓支架的支撐性能[2]。裂紋萌生于焊縫位置，長期使用，裂縫將沿裂紋處呈逐漸延伸變長現象，這給掩護梁的結構安全性構成重要威脅。因此，以ZY12000/28/64 液壓支架掩護梁為研究對象，開展其結構的強度分析與優化研究，提高液壓支架的支撐性能具有重要作用。

1 ZY12000/28/64型液壓支架模型建立

該液壓支架采用整體式頂梁，二級護幫板結構，雙側布置有防護板，能對結構起到較好的防護作用。該液壓支架能在煤層傾角不超過10°、仰采角度≤25°的作業環境下進行支撐作業；液壓支架承受著來自煤層頂板的較大外界壓力作用，所承受壓力約12 000 kN。工作面采用大配套，保證了截深和有效移架步距；同時，液壓支架工作阻力相對較大，可以提高支架對煤層頂板的支撐能力[3]。

整個液壓支架結構主要包括：幫護結構、頂梁、前后連桿、底座、防護裝置等，其結構組成見圖1。

圖1 ZY12000/28/64 液壓支架結構

2 拓撲優化理論

在液壓支架結構強度分析中，采用了ANSYS workbench 軟件中的shape optimization 模塊進行拓撲優化。拓撲優化是以材料特性均勻分布的設計結構為優化對象，首先計算出結構的應力分布情況，再根據拓撲理論去除結構中不必要的材料，從而得到拓撲優化結果，其基本三要素包括如下內容[4]：

2.1 優化變量

將模型中的優化變量組成一個向量，用x 表示，x 屬于n 維空間的一個向量。本模型中，根據應力分析的結果，即應力分布的情況，選取頂梁的下表面中部、掩護梁的下表面以及內部結構為拓撲優化區域，即優化變量x。

2.2 約束條件

設計變量的函數，用f（x）表示，設計目標函數是模型的應力和體積。約束條件是對設計的限制不等式表示。條件1：結構應力最小，但同時不能超過材料屈服應力550 MPa[5]； 體積不能大于原結構0.96，約束條件見式（1）。

2.3 優化目標

目標函數是模型的最小應力，但不能超過材料的強度極限，同時對結構形狀做出優化。各個函數都有嚴格的數學邏輯關系，在尋求目標函數最優解的過程中，形成了三個要素相互制約的數學問題，優化目標表達見式（2）。

式中：x1，x2…xn是優化設計變量，即模型的尺寸；f（x1，x2…xn）為目標函數；

3 分析模型的建立

首先，使用Solid Works 建立ZY12000/28/64液壓支架三維模型和掩護梁子模型。在模型的創建中簡化一些細小特征，如護幫裝置、圓角或小孔等細節特征。并將模型保存為STP 格式后，導入ANSYS Workbench 軟件中進行前處理。

3.1 材料設置

該液壓支架主要材料選用厚度均勻的Q550 鋼板：彈性模量E=2.1×105 MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強度550 MPa。

3.2 邊界條件與載荷

結合《煤礦用液壓支架通用技術條件》標準規定[6]，確定了頂梁扭轉、偏載荷兩種工況作為分析工況。同時，在模型分析時對載荷進行一定的簡化處理，在有限元分析時對支架的墊塊位置施加一定的約束。所確定的兩種典型工況下墊塊位置見圖2，圖中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm。

圖2 兩種工況下墊塊位置

當模型處于受力狀態時，可用柱帽、柱窩內表面上均勻載荷來代替立柱對支架作用力，作用力大小為1.2×12 000=14 400 kN。墊塊與頂梁連接設置接觸，取金屬間摩擦系數0.15。

由于模型網格要求不高，采用了自由網格劃分法對模型進行了四面體網格劃分，網格單元大小為40 mm，單元類型選擇solid85，最終建立的有限元模型共有195 134 個單元。

4 液壓支架掩護梁優化結果

圖3 為液壓支架中掩護梁在ANSYS workbench拓撲優化結果。圖片顯示了掩護梁所選的優化區域及拓撲優化的結果。從圖片中可以看到計算對中隔板進行了鏤空處理，并減小了掩護梁重量及空間體積，以此來有效削弱筋板之間因交叉焊縫連接而導致的應力集中現象。在此優化結果中，也對底板進行了打孔處理，優化效果較為明顯。

圖3 可優化區域-優化結果

圖4 掩護梁原狀態應力分布

圖4 為掩護梁原始結構的應力分布圖。由圖可知，其最大應力值為412.5 MPa，接近材料的屈服極限，說明在掩護梁原結構存在比較薄弱的區域，容易產生裂紋破壞。結合實際情況可知，液壓支架立柱連接耳板位置在實際使用中確實出現了裂紋的情況，由此，也驗證了此優化結果的可靠性。

5 掩護梁結構優化分析

依據拓撲優化分析的結果，結合液壓支架的實際使用工況，對掩護梁結構進行改進設計。采用SolidWorks 軟件，建立了優化后的掩護梁三維模型。采用相同處理方式，對優化的模型進行細小特征簡化。在模型前處理中，施加相同的載荷工況，設置相同的材料參數。通過ANSYS 軟件，開展優化后掩護梁的結構強度分析研究。

圖5 結構優化后掩護梁應力分布

圖5 為液壓支架掩護梁在偏載荷工況下的應力分布圖。由圖可知，優化的掩護梁最大應力值為362.1 MPa，出現在橫隔板與底板連接處、立柱耳板連接處等區域。相對于優化前的最大應力412.5 MPa，減小近50 MPa，優化的應力值遠低于材料屈服極限。驗證了優化后的掩護梁具有更高的結構強度，能更好的滿足液壓支架的使用需求。同時，優化后的掩護梁具有更少的結構用材，材料有原來的450 kg減少至了320 kg 左右，單一部件材料減輕了將近29%。且結構設計更加合理，大大降低了批量化生產企業的原材料及加工成本，其經濟效益相當明顯。另外，將此優化方法應用到液壓支架設備的其他部件優化設計中，也將在提升部件結構性能基礎上，大大降低部件的原材料及加工成本，所帶來的實際應用價值及推廣應用價值相當顯著。也對其他煤礦設備的優化設計也提供了重要參考。

6 結語

不斷提升礦用液壓支架的結構性能，對提高煤礦開采效率及作業安全具有重要作用。而在結合現有設計經驗基礎上，充分利用先進計算機仿真設計及優化方法來開展液壓支架部件的性能研究，成為當前提高設計效率及設計可靠性、降低設計研發成本的關鍵。為此，針對ZY12000/28/64 型礦用液壓支護掩護梁在使用中存在的不足，采用ANSYS 分析軟件，開展了掩護梁的拓撲優化分析及模型優化研究，并對優化的模型進行了結構強度分析，理論研究結果表明，采用此拓撲優化方法所設計的掩護梁具有更高的結構強度，設計更加合理，部件原材料也降低了將近29%，大大降低了企業的原材料及加工成本，其經濟效益相當明顯。通過此研究，找到了掩護梁使用中存在的典型問題，也對掩護梁的實際生產應用及優化改進提供了重要的理論基礎，所帶來的實際應用價值及推廣應用價值相當顯著。