基于ABAQUS的鉆機車架板結構有限元分析

郭 偉

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

坑道鉆探是用于煤礦井下災害防治、地質探查、煤層氣開發等方面最為直接和有效的技術手段，坑道鉆機是鉆探工作中的關鍵重要裝備，車架平臺是鉆機的基礎組成部分，其上加載有鉆機主體、電機泵組、操作臺閥組、接管板、油箱、電控元件等部件，同時通過履帶連接提高行走動力[1]。車架平臺是由鋼板焊接而成的復雜板結構，除了承受鉆機主體等部件的壓力之外，還要受到鉆機工作時產生的作用力[2]。為確保車架板結構及焊縫等不會出現強度不夠從而影響鉆機整體性能的問題，利用有限元方法對其進行強度分析是十分有必要的。

車架板結構承擔著整個鉆機的重量，在考慮強度的同時，還需要分析其彎曲和扭轉等動態特征，考察結構中的薄弱環節。模態分析是分析結構動態特征的重要方法，針對系統的自由振動特征，如固有頻率和振型，因此與外部載荷無關，在分析時無須加載，即自由模態；但約束條件的施加對模態分析結果有重要影響，即約束模態[3-4]。結構的固有頻率需要避免與外界激振頻率共振，鉆機運轉過程中會產生系統的強烈振動，電機、馬達等也會產生振動，因此對車架板結構進行模態分析，可以有效地避免產生共振現象。

本文利用ABAQUS有限元軟件，通過簡單算例選擇適宜的建模方法，對某型鉆機車架板結構進行強度分析和模態分析，得出典型工況下整個結構的應力分布、變形分布、固有頻率和振型云圖等，為車架板結構的設計和改進提供理論指導。

1 鉆機車架板結構有限元分析

1.1 鉆機車架板結構模型及網格劃分

鉆機車架板結構的板材之間通過焊接的方式連接成為一個整體，為使計算結果更加準確，建立整體結構的有限元三維模型。由于車架板結構比較復雜，存在各種小孔、倒角及筋板結構，為降低網格劃分和有限元分析的難度，對模型結構進行簡化，并且忽略焊縫結構，模型中Part之間接觸面的接觸方式為Tie模式，模型如圖1所示，對車架板結構進行強度分析和模態分析。

圖1 車體平臺模型

網格劃分采用實體單元，網格類型C3D8R，單元總數為20 967，節點總數為38 595。網格劃分后的效果如圖2所示，效果比較理想。

圖2 網格劃分

車架板結構材料為Q345鋼板，材料參數列于表1。

表1 Q345鋼材料參數

1.2 載荷施加

車架板結構由四個穩固支撐撐起，因此在四個穩固支撐處約束所有自由度。鉆機不工作時，車架板結構承受鉆機自身重力；鉆機工作時，鉆機進給和起拔兩種工作狀態產生的力通過轉盤傳遞到車架板結構，本文考慮承受最大進給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況，將載荷施加在連接鉆機主體的轉盤上，對車架板結構進行強度分析。由于模態分析不需要施加載荷，在其余條件與強度分析相同的情況下，去除載荷，保留邊界條件，計算車架板結構的約束模態。

2 計算結果分析

2.1 強度分析

經CAE計算后，最大進給力95 kN和最大起拔力140 kN兩種工況下的Mises應力和變形云圖如圖3～圖6所示。

圖3 最大給進力時Mises應力分布

圖4 最大進給力時變形云圖

由圖可以看出，兩種工況下應力集中出現的位置相同，在圖3和圖5的橢圓圈中角焊縫位置，起拔時最大Mises應力值達到49.92 MPa。車架板結構材料為Q345鋼，應力集中處角焊縫的抗壓和抗拉強度設計值均為200 MPa，因此在許用應力的范圍之內，完全滿足強度要求。

圖5 最大起拔力時Mises應力分布

由圖4和圖6兩種工況的變形云圖可見，給進力工況下，最大變形量0.057 8 mm出現在車架板結構的一角，而起拔工況時的最大變形量0.056 mm出現在車架板結構與鉆機主體相連的圓盤處，兩個變形數據均非常小。

圖6 最大起拔力時變形云圖

2.2 模態分析

對車架板結構模型建立攝動分析步，利用Lanczos求解器求解前20階約束模態。由于在實際情況下低階模態的固有頻率對結構的動態特征有著決定性影響[5]，本文對前6階約束模態進行分析，其固有頻率和振型計算結果列于表2，對應的各階模態振型云圖如圖7～圖12所示。

表2 車架板結構前6階約束模態計算結果

圖7 第1階模態振型仿真云圖

圖8 第2階模態振型仿真云圖

圖9 第3階模態振型仿真云圖

圖10 第4階模態振型仿真云圖

圖11 第5階模態振型仿真云圖

圖12 第6階模態振型仿真云圖

本文進行模態分析的指標主要有：車架板結構的彈性頻率和電機等工作頻率不要發生共振，以及對車架板結構動態性能產生影響的振型較少。

從表2和前6階模態振型云圖可以看出，車架板結構的固有頻率隨著階次的上升而變大，最低固有頻率為142.63 Hz，鉆機用電機的工作頻率是50 Hz，與車架板結構的固有頻率差距較大，因此不會發生共振。

由車架板結構的振型圖可知，主要振型特征有彎曲、擺動及它們的相互組合。1階模態振型表現在車架中部兩個面板的向上擺動；2階表現為車架中部面板一側向上、一側向下的擺動；3階振型為車架中部面板向下擺動以及底板向上凸起彎曲；4階模態振型是車架整體的彎曲和扭轉；5階模態是車架板結構中部擺動和整體上下彎曲的組合；6階模態振型表現為車架中部面板的正弦狀擺動及底板凸起彎曲。可見，1～3階振型主要是車架中部面板及底板的變形，是局部變形，而4階以上形成了整體變形，隨著階次的增大，整體的振型越來越復雜，3階以上就出現了組合變形。薄弱環節在車架板結構兩側面板和底板，然而前6階模態振型中最大的結構變形量為第4階的1.258 mm，可見整體變形量非常小。

3 結論

本文建立了車架板結構有限元模型，并在兩種工況下進行強度分析和模態分析，得到如下結論：

（1）最大給進力工況和最大起拔力工況下，車架板結構的應力集中處均出現在同一焊縫位置，但遠小于許用應力值，滿足強度要求。

（2）車架板結構的前6階固有頻率與電機工作頻率相差較大，不存在共振風險；模態振型變形量非常小。