關(guān)于某巷道臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)底座的仿真與優(yōu)化研究

霍衛(wèi)星

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

1 臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)工作原理

臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的立柱起支撐頂梁的作用，頂梁則直接對(duì)巷道頂板起到支撐作用，四連桿機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)對(duì)頂梁高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，底座結(jié)構(gòu)是對(duì)整體結(jié)構(gòu)的支撐，同時(shí)包括結(jié)構(gòu)的走行機(jī)構(gòu)，由于承受的載荷情況復(fù)雜。該型臨時(shí)支護(hù)主要適用于矩形斷面的巷道，如圖1 所示為臨時(shí)支護(hù)設(shè)備與掘進(jìn)機(jī)之間的位置關(guān)系，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備由兩架組成，可以在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中隨動(dòng)交替前進(jìn)[1-2]。

臨時(shí)支護(hù)設(shè)備工作時(shí)，立柱對(duì)頂梁起到支撐作用，頂梁則直接作用于頂板，兩組支護(hù)設(shè)備可交替前進(jìn)，當(dāng)需要前進(jìn)時(shí)，第二組臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的立柱上升，對(duì)頂板起到支撐作用，此時(shí)，第一組臨時(shí)支護(hù)設(shè)備立柱下降，底座往前移動(dòng)，再將立柱上升頂住頂板，如圖交替進(jìn)行實(shí)現(xiàn)支護(hù)設(shè)備隨掘進(jìn)機(jī)同步前進(jìn)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一小段距離時(shí)，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備就要前移，保障開采面的安全，同時(shí)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備可為永久支護(hù)的施工提供足夠的空間，極大地提高了工作效率[3]。

2 分析模型的建立

2.1 底座三維模型

圖1 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)原理示意圖

首先利用Solidworks 軟件，創(chuàng)建了臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型，底座主要承受著頂梁傳遞下來的載荷，為防止底座在與地面接觸時(shí)下陷，底座的底面應(yīng)足夠大，同時(shí)應(yīng)滿足總體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，底座采用鋼拼焊而成，所用鋼板厚底為20 mm。將底座三維模型以IGES 文件格式導(dǎo)入ANSYS Workbench，對(duì)三維模型的幾何進(jìn)行編輯，去掉對(duì)強(qiáng)度分析影響較小的孔等特征[4-5]。為了減小支護(hù)系統(tǒng)在移動(dòng)時(shí)的阻力，將底座與頂板支撐柱之間采用球鉸接連接，可避免臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)在移動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的偏載荷[6]。

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

對(duì)底座的相關(guān)模型的材料進(jìn)行設(shè)置，已知底座結(jié)構(gòu)的材料為30CrMnSi，其參數(shù)如表1 所示。

表1 30CrMnSi 底座材料參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)導(dǎo)入模型并設(shè)置好參數(shù)后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元類型為solid45，整體單元平均大小尺寸設(shè)置為30 mm，通過軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能劃分網(wǎng)格，如圖2 所示為底座的網(wǎng)格劃分示意圖，一共劃分得到13 094 個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 236 個(gè)單元。

2.4 載荷與約束

根據(jù)臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況和受力分析，可以知道在冒頂事故發(fā)生時(shí)，臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)所受載荷工況最惡劣，因此以冒頂時(shí)支護(hù)系統(tǒng)受力情況對(duì)底座進(jìn)行分析。底座接觸面Z 方向自由度設(shè)置為0，在底座四個(gè)銷軸孔位置施加103 kN 的力，并設(shè)置模型的重力加速度，最后對(duì)底座有限元模型進(jìn)行分析求解。

圖2 底座網(wǎng)格劃分模型

3 分析結(jié)果

提取ANSYS Workbench 的計(jì)算結(jié)果，得到底座的應(yīng)力分布與最大變形，分別如圖3、圖4 所示，底座的最大應(yīng)力值為144.1 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座中部，由于底座屬于鋼板拼焊而成的薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩側(cè)銷軸孔受載較大時(shí)，結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)較大形變和應(yīng)力。

圖3 底座應(yīng)力（MPa）分布示意圖

圖4 底座總變形（mm）示意圖

底座最大變形值為0.000 72 mm，變形量較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較安全，最大應(yīng)力值未超過材料的許用強(qiáng)度。但應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)縱向方向強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，防止薄壁結(jié)構(gòu)兩端受載較大，出現(xiàn)變量過大的情況。

4 優(yōu)化分析

優(yōu)化是一種重要的工程設(shè)計(jì)優(yōu)化分析方法，對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)具有重要參考意義，優(yōu)化模擬分析較為簡(jiǎn)單，需給出模型的優(yōu)化目標(biāo)，和可優(yōu)化參數(shù)，軟件即可自動(dòng)根據(jù)強(qiáng)度分析的結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化分析可以提供優(yōu)化后的模型布局，減少材料使用，可提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)底座的強(qiáng)度分析結(jié)果，可以看到最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，根據(jù)ANSYS 拓?fù)溆?jì)算結(jié)果，得到了底座優(yōu)化空間布局。如圖5 所示，為優(yōu)化分析結(jié)果，在滿足強(qiáng)度要求的前提下盡量降低材料的使用，相比于優(yōu)化之前優(yōu)化后底座重量減小了21.7%，優(yōu)化分析的結(jié)果對(duì)底座結(jié)果設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

圖5 優(yōu)化分析結(jié)果

5 結(jié)論

1）底座最大應(yīng)力為144.1MPa，最大位移為0.00072 mm，最大應(yīng)力與最大變形均出現(xiàn)在底座中部。

2）根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，以底座質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，利用優(yōu)化分析得到優(yōu)化后底座模型質(zhì)量減小了21%，該優(yōu)化結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。