液壓支架的三維建模及整架有限元分析

摘 要：利用Pro/E軟件建立ZY6000/25/50型兩柱掩護式液壓支架的三維模型，并把模型導入有限元軟件ABAQUS中進行分析，得出在頂梁偏載、底座扭轉工況下支架的應力和位移分布情況，研究的結果可以為液壓支架的設計和結構優化提供參考依據。

關鍵詞：液壓支架 三維建模 有限元分析 強度分析

中圖分類號：TD355文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0083-02

液壓支架是綜合機械化回采工作面的支護設備，起支撐和保護的作用。液壓支架的壽命和質量，與它在承載情況下的應力應變有很大的關系。在傳統的液壓支架設計過程中，一般是制造出一臺樣機，在反復的試驗中得到液壓支架各部位的應力應變的分布情況，但是這種結果誤差比較大。本文采用Pro/E軟件建立液壓支架的三維模型，將模型導入到ABAQUS軟件進行有限元分析，能夠更好地模擬各種工況，得到支架在各種工況下的應力應變情況，大大縮短了支架的設計周期，節省了液壓支架的設計成本。

1 液壓支架的三維建模

1.1 液壓支架的簡化

在建模過程中，考慮到有限元分析過程中的網格劃分、相互作用的設定和載荷的加載，要對液壓支架進行簡化。

因為立柱和千斤頂與支架的接觸比較復雜，在建模過程中進行簡化處理，用載荷代替。為節省建模時間，對頂梁、掩護梁和底座上的小孔和對支架受力影響不大的小塊或小環進行簡化處理。支架模型中不能出現小邊或小縫，否則會影響后續有限元分析中的網格劃分，影響到支架應力應變的分析結果，所以對這些小邊或小縫也要進行簡化處理。

1.2 液壓支架各部構件的建模

液壓支架包括頂梁、掩護梁、前后連桿、底座這幾部分，分別對其進行建模。

在建模過程中，前后連桿和底座是關于中心對稱的，因此在拉伸和旋轉過程中，充分利用軟件中的鏡像模塊，可以大大縮短建模時間，提高支架的建模效率。支架各部分建模如圖2所示。

1.3 液壓支架的裝配

在Pro/E中對完成建模的支架各構件進行裝配。裝配過程中，構件與構件之間的間隙尺寸為5mm，構件與構件之間的連接設置為鉸接。根據MT312-2000《液壓支架通用技術條件》，在頂梁偏載、底座扭轉工況下，支架試驗高度為支架最低高度加上300mm，液壓支架的最低高度是2500mm，所以把支架的分析高度定為2800mm。支架整體裝配圖如圖3所示。

2 液壓支架的整架有限元分析

2.1 檢查支架整體模型

模型建好后，以“x_t”形式保存副本，導入到ABAQUS軟件當中，然后對支架整架進行靜力學分析。模型導入ABAQUS中后如圖4所示。

模型導入后，整個支架會出現很多尺寸不夠精確的地方，不精確尺寸會對整個分析的收斂性產生很大的影響，甚至對最后的應力分析結果也會產生很大影響，所以先對模型整體進行檢查，將不精確的尺寸修改為精確尺寸。（如圖4）

2.2 支架的屬性設定

支架材料為低合金高強度合金鋼Q460，屬性設置過程中，假定支架材料是均勻的，各項同性的，其參數為：楊氏模量210000MPa；泊松比0.3。因為設定的是立柱和千斤頂對支架的工作阻力分別是3000kN和1318kN，支架自重可以忽略不計，所以不對材料密度設定。

在墊塊的屬性設置過程中，如果墊塊與支架的屬性差別過大，會在它們的接觸面附件產生嚴重的應力集中，這種應力集中情況本不該出現，這就會影響到液壓支架最后的應力分析結果。所以將墊塊的屬性設置為與支架相同。

2.3 支架的分析步設定和相互作用設定

分析步設定過程中，為了保證分析結果的收斂性，分為兩步進行分析。第一步施加一個比較小的力，第二步設定施加額定載荷，兩個分析步的最大增量步數都定為800，初始增量步大小定為0.02。輸出部分只用輸出應力、應變和位移即可。

進行互相作用設定過程中，把支架各部件之間的連接進行設定：頂梁與掩護梁、掩護梁與前后連桿、底座與前后連桿設定為耦合鉸接；在頂梁和底座的柱窩處，將球心與球面設為剛性連接；將千斤頂的作用點與頂梁和掩護梁耳板的接觸面設定為剛性連接。墊塊與頂梁和底座之間的接觸設為無摩擦接觸，并且限制接觸面兩個方向的邊界條件，代替摩擦。

2.4 支架的載荷加載和邊界條件

載荷加載過程中，因為立柱和千斤頂都與水平面之間有夾角，其作用力的方向不可能是豎直方向，所以可以把作用力分解到兩個方向上加載。其中，立柱與水平面夾角為80.93°，其作用力分解到x和y兩個方向上分別是473KN和2962.5N；千斤頂與水平面夾角為14.14°，其作用力分解到x和y兩個方向上分別是1278KN和322KN。墊塊則設定為完全固定。

在對支架進行有限元分析的過程中，邊界條件的處理對分析結果有很大的影響。在MT312-2000 液壓支架通用技術條件中，對支架型式試驗、強度試驗規定了多種工況，實踐表明，支架損壞最主要的原因是承受偏載和扭轉載荷。所以本文以頂梁偏載、底座扭轉工況為例，將模型導入到ABAQUS中分析支架各部分的受力情況。

2.5 支架的網格劃分

網格劃分要注意網格大小的確定。網格太大，則不能得到精確的分析結果；但網格太小，則會增大計算機的工作量，對計算機的要求也會更高。所以網格大小要合適，經過多次嘗試，把網格大小定為70。因為支架結構比較復雜，所以采用自適應四面體網格，網格單元類型為標準線性四面體C3D4。網格劃分好的支架如圖5所示。

2.6 提交支架作業

網格劃分好后，提交作業，對支架進行分析，得到支架整架的應力云圖結果如圖6所示。

圖6中可以得到，液壓支架在頂梁偏載、底座扭轉工況下最大應力為352MPa，而Q460鋼的屈服強度是460MPa，所以確定支架在這種工況下是安全的。

圖7可以得到：最大應力處分布在頂梁沒有墊塊的一側，頂梁沒有墊塊的一側應力集中比較明顯，建議提高此處材料的強度或厚度以提高安全性。

3 結語

本文用Pro/E和ABAQUS對兩柱式液壓支架進行了整架有限元分析，結果表明：

（1）在頂梁偏載、底座扭轉的工況下，ZY6000/25/50型兩柱掩護式液壓支架的最大應力值是352MPa，小于Q460的屈服強度460MPa，因此液壓支架是安全的。

（2）分析表明，頂梁不受載的一側應力集中明顯，建議提高此處的材料強度或厚度以確保安全。

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