基于ANSYS的煤礦井下轉載機支撐車的結構優化

沈誠+劉桃+鄭文豪+李輝+戴祥+吳海周

摘要：

煤礦井下轉載機支撐車是煤炭開采系統中的重要設備之一，占煤炭開采的成本比重較大，但存在原轉載機械的安全系數偏高，機器的制造材料消耗及使用不夠合理等問題。論文運用ANSYS軟件中對支撐車三維模型進行了有限元仿真分析，優化了支撐車車體的結構。通過這一優化，降低了車體的重量，為企業降低了生產成本，同時節約的大量的資源。

關鍵詞：結構優化;煤礦井下;轉載機;支撐車;有限元分析

分類號：TH243+.2

引 言

煤礦井下轉載機支撐車是煤炭開采系統中的重要設備之一，占煤炭開采的成本比重較大[1]，但存在原轉載機械的安全系數偏高，機器的制造材料消耗及使用不夠合理等問題，造成了成本偏高。為了解決這一問題，在不影響其使用性能的前提下，本文采用ANSYS軟件和正交試驗方法對其進行了結構優化。

1 ?靜態有限元分析與強度校核

1.1 創建模型

建立的三維實體模型如圖1所示，因為支撐車車體選擇的材料是40Mn2鋼，兩側的焊接板是WZB-NM360鋼，兩者都屬于合金鋼系，特性參數選擇如表1所示。本文運用Pro/E進行三維實體建模[2]。忽略了對結構強度沒有影響的次要因素，采用了IGES格式文件作為中間數據進行交換或使用接口程序連接Pro/E和ANSYS[3]，將三維實體模型導入至軟件ANSYS中。

圖1支撐車車體三維實體模型

Fig.1 Support the three-dimensional solid

model of vehicle body

圖2支撐車車體的有限元網格模型

Fig.2 Support the vehicle body of the finite

element mesh model

1.2 ?劃分網格

本文采用了等級為5的網格密度對車體進行單元劃分，有限元網格模型見圖2所示，網格共劃分生成了190362個單元和305158個節點。

1.3 ?施加載荷

支撐車工作時車體受到的力主要來自與皮帶運輸系統的重力與皮帶運輸系統工作時的動態沖擊力，因此為了計算支撐車車體的受力，首先要計算出皮帶運輸系統在工作時的靜態重力。考慮到皮帶運輸系統各組成部件，如：皮帶、托輥和支架等，又考慮到皮帶系統工作時的動態沖擊下，各部分的等效重量估算如下。

表1材料特性表

Table 1 Material characteristics table

材料的密度ρ（kg/m3）

泊松比彈性模量E（N/m2）

7.85×103μ=0.32.06×1011

皮帶運輸系統上運輸的礦物質量為：mm=B·H·L·ρ=0.8×0.07×50×103=2800kg

按每米8kg估算，則120米的皮帶質量mg=8×120=960kg

按每個托輥1.2kg，則共162個托輥的重量m1=1.2×162=194.4kg

估算皮帶運輸系統的支架每米20kg，則其總的重量為mv=20×50=1000kg

再將其他附件的總質量按大的估算為mf=200kg

則皮帶運輸系統的的總重量G為：m=mm+mg+ml+mv+mf=5154.4kg

G=m·g=5154.4×9.8N=50513.12N

由于共20輛支撐車支撐此皮帶運輸系統，因此每個支撐車的靜態受力為：

P=G/n=50513.12/20=2525.656N

1.4 ?施加約束

由于車體在底端處有支撐架設計支撐，對模型的靜力分析時，為了便于計算，支撐架的支撐可以被看作為剛性支撐，而且支撐架橫杠在支撐車體底座時看作為是均勻間斷的。邊界條件定義為多處且均勻間斷的全約束。

此外還要考慮支撐車的安全性能，取其安全系數為1.2，則每個支撐車的車體受力為3030.7872N。支撐車車體模型所受載荷及約束的情況如圖3所示。

1.5 ?仿真分析

在求解類型中我們選擇Static模式，進行有限元分析求解。求解完成后，得到如圖4～7所示的支撐車車體變形圖、位移云圖、應力云圖和應變云圖。

圖3定義約束和載荷后的模型圖

Fig.3 Model chart after increase restraint and load

圖4 支撐車車體的變形圖

Fig.4 Support the vehicle body deformation figure

圖5位移矢量云圖

Fig.5 Displacement vector sum cloud chart

圖6支撐車車體的應力云圖

Fig.6 Stress cloud chart of support the vehicle body

圖7Von Mises stress圖型

Fig.7Von Mises stress chart

從圖4和圖5可知，支撐車車體的變形發生在支撐車車體上導軌的中部;從圖6和圖7中可知，最大應力發生位于支撐車車體上導軌的中下部，Von Mises Stress最大值為13.7Mpa。根據所選材料特性可知，我們得到的最大應力值遠遠小于40Mn2鋼的許用應力。

1.6 ?仿真結論

上述仿真中可以看出，本文最初對支撐車車體的結構設計是合理的，該結構完全滿足實際需要的剛度和強度，但由于材料的選擇及結構的利用率不是很合理，所以有必要對結構進行優化。

2 ?支撐車車體的優化設計

本文主要是以對支撐車的結構尺寸和車體材料對原有的設計結構進行優化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結構尺寸和材料等對支撐車進行優化設計。

2.1 ?建立優化方案

我們采用了ANSYS自帶的優化功能模塊對支撐車車體的結構尺寸進行優化分析，得到了優化方案，再使用ANSYS將優化的方案導入其中進行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應力最大，因此在有限元的分析過程中必須保證此危險處有足夠的強度，根據支撐車車體的結構得到以下四種參數組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結構參數方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側厚度（mm）車體的中側厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優化

根據表中支撐車車體的結構參數，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進行分析，共得到16個分析效果圖，其中第一種4個效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數據如下表3所示：

表3分析數據

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應力（Pa）應變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優化結果

由上述優化可知，方案4的模型優化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應力應力和應變在四種方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時的強度和剛度要求。在模型改進前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個支撐車的重量得到大幅的下降，同時也提高了整個支撐車的性能。

3 總結

通過對煤礦井下轉載機支撐車的有限元分析，優化了支撐車車體結構，從而降低了車體的重量，為企業降低了生產成本的同時也節約了大量的資源。

[參考文獻]

[1] 陳維健. 礦山運輸與提升設備[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機械設計案例教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國防工業出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001）

2 ?支撐車車體的優化設計

本文主要是以對支撐車的結構尺寸和車體材料對原有的設計結構進行優化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結構尺寸和材料等對支撐車進行優化設計。

2.1 ?建立優化方案

我們采用了ANSYS自帶的優化功能模塊對支撐車車體的結構尺寸進行優化分析，得到了優化方案，再使用ANSYS將優化的方案導入其中進行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應力最大，因此在有限元的分析過程中必須保證此危險處有足夠的強度，根據支撐車車體的結構得到以下四種參數組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結構參數方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側厚度（mm）車體的中側厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優化

根據表中支撐車車體的結構參數，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進行分析，共得到16個分析效果圖，其中第一種4個效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數據如下表3所示：

表3分析數據

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應力（Pa）應變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優化結果

由上述優化可知，方案4的模型優化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應力應力和應變在四種方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時的強度和剛度要求。在模型改進前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個支撐車的重量得到大幅的下降，同時也提高了整個支撐車的性能。

3 總結

通過對煤礦井下轉載機支撐車的有限元分析，優化了支撐車車體結構，從而降低了車體的重量，為企業降低了生產成本的同時也節約了大量的資源。

[參考文獻]

[1] 陳維健. 礦山運輸與提升設備[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機械設計案例教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國防工業出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001）

2 ?支撐車車體的優化設計

本文主要是以對支撐車的結構尺寸和車體材料對原有的設計結構進行優化，在保證支撐車使用性能的前提下，考慮改變支撐車車體的結構尺寸和材料等對支撐車進行優化設計。

2.1 ?建立優化方案

我們采用了ANSYS自帶的優化功能模塊對支撐車車體的結構尺寸進行優化分析，得到了優化方案，再使用ANSYS將優化的方案導入其中進行有限元的分析論證。由于支撐車車體最容易破壞的地方應力最大，因此在有限元的分析過程中必須保證此危險處有足夠的強度，根據支撐車車體的結構得到以下四種參數組合方案。如下表2所示。

表2支撐車車體結構參數方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案車體的前側厚度（mm）車體的中側厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2 ?仿真優化

根據表中支撐車車體的結構參數，確定支撐車的模型，再按前文所述的有限元分析步驟，再次進行分析，共得到16個分析效果圖，其中第一種4個效果圖已在前有闡述。綜上四種方案的有限元分析數據如下表3所示：

表3分析數據

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）應力（Pa）應變

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 優化結果

由上述優化可知，方案4的模型優化效果最佳，此方案的支撐車車體重量為最小，雖然支撐車車體的最大位移、最大應力應力和應變在四種方案中是最大的，但此方案也能很好地支撐車車體工作時的強度和剛度要求。在模型改進前， 支撐車車體的重量274.42 kg，改進后降低為170.62kg，重量減輕約了37.8% ， 所以整個支撐車的重量得到大幅的下降，同時也提高了整個支撐車的性能。

3 總結

通過對煤礦井下轉載機支撐車的有限元分析，優化了支撐車車體結構，從而降低了車體的重量，為企業降低了生產成本的同時也節約了大量的資源。

[參考文獻]

[1] 陳維健. 礦山運輸與提升設備[M]. 徐州： 中國礦業大學出版社， 2006.

[2] 王詠梅 康顯麗 張瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版機械設計案例教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 劉坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 國防工業出版社， 2004.

（作者單位：安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001）