ANSYS應(yīng)用于U型鋼支架、鋼管混凝土圓形支架的對(duì)比模擬

朱思剛 彭 浩

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)有限（責(zé)任）公司蔣莊煤礦，山東 滕州 277519）

蔣莊煤礦南總回風(fēng)巷南一采區(qū)段采用U型鋼支架支護(hù)，由于受動(dòng)壓影響，巷道長(zhǎng)時(shí)間失修，造成U型鋼支架局部變形。通過(guò)受力分析，對(duì)不封閉型U型鋼可縮性支架進(jìn)行了ANSYS有限元數(shù)值模擬。同時(shí)對(duì)鋼管混凝土圓形支架進(jìn)行受力分析和ANSYS有限元數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比尋求更優(yōu)化的支護(hù)形式。

1 U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架數(shù)值模擬

1.1 U型鋼可縮支架數(shù)值模擬步驟

（1）用Solidworks建立U型鋼模型

ANSYS的前處理模塊有建模功能，可以建立復(fù)雜的模型，而且有限元模型和結(jié)構(gòu)實(shí)體模型在幾何外形上是基本一致的。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何外形，忽略對(duì)結(jié)果影響較小的次要的因素，抓住結(jié)構(gòu)外形的主要因素建立模型，是進(jìn)行有限元建模的基礎(chǔ)。U29型鋼可縮性支架的截面，是一個(gè)形狀極為不規(guī)則的平面。由于無(wú)法預(yù)知節(jié)點(diǎn)的位置、編號(hào)、單元的大小形狀等信息，故使用間接法建模即用Solidworks建立U型鋼的模型。

建模思路如下：①用三維建模軟件Solidworks畫出U型鋼支架的各部分零件；②用三維建模軟件Solidworks把U型鋼支架的各部分零件裝配起來(lái)；③把裝配好的U型鋼支架導(dǎo)入到ansys中并進(jìn)行應(yīng)力分析。

（2）用ANSYS對(duì)U型鋼進(jìn)行網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分可以完成實(shí)體模型和有限元模型之間的過(guò)渡，將實(shí)體模型離散成為一系列按照一定方式組合在一起的小單元，產(chǎn)生有限元計(jì)算所需要的節(jié)點(diǎn)和單元。它一般包括3個(gè)步驟：定義單元屬性、定義網(wǎng)格屬性(可選)、生成網(wǎng)格閉。ANSYS提供了3種劃分方式：自由劃分、映射劃分、自由和映射結(jié)合劃分，可以完成各個(gè)圖元的網(wǎng)格劃分。

（3）對(duì)U型鋼的表面施加面力并對(duì)其進(jìn)行求解。

1.2 鋼管混凝土圓形支架數(shù)值模擬

（1）建模

圓形截面的尺寸如下：外徑150mm，內(nèi)徑140mm，壁厚5mm，圓拱半徑2.2m。建模時(shí)，需要用到ANSYS軟件的前處理器/PREP7，鋼管采用SOLID45單元，核心混凝土采用SOLID65單元。構(gòu)件是截面為圓形的封閉型圓管。構(gòu)件模型建立完成后，定義單元的各項(xiàng)材料參數(shù)。即輸入鋼材和混凝土的彈性模量、泊松比等各項(xiàng)參數(shù)。

（2）網(wǎng)格劃分

單元參數(shù)定義完成后即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此處建模為實(shí)體建模，實(shí)體建模可以采用自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和掃略生成體網(wǎng)格三種不同的網(wǎng)格劃分形式，由于鋼管混凝土構(gòu)件有規(guī)則的形狀，因此此處采用映射網(wǎng)格。 映射面網(wǎng)格包含四邊形或三角形單元，本次模擬應(yīng)用四邊形單元。

（3）施加載荷、邊界條件

網(wǎng)格劃分完成后即可施加邊界條件與載荷并進(jìn)行解算。在ANSYS中施加載荷時(shí)需要考慮將載荷施加在實(shí)體模型（點(diǎn)、線、面）上或有限元模型（節(jié)點(diǎn)、單元）上。本文中的模型采用實(shí)體建模，因此載荷直接施加在構(gòu)件的上表面上。

施加載荷時(shí)有時(shí)需要用到載荷步，載荷步是為了獲得解答而做的載荷設(shè)置，載荷步可以包括N個(gè)子步，子步是求解載荷步過(guò)程中的計(jì)算點(diǎn)，子步采用平衡迭代法求解，而平衡迭代是為了使子步收斂的附加解。

施加約束條件（DOF約束）時(shí)，鋼管混凝土構(gòu)件（直長(zhǎng)管）下表面的所有節(jié)點(diǎn)的垂直自由做約束，上表面節(jié)點(diǎn)的自由度不做任何約束。然后在鋼管混凝土構(gòu)件的上表面施加表面載荷（Surface Load），即表面壓力載荷。

施加完載荷后需要對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行求解設(shè)定才能完成最后的求解。求解設(shè)定包括分析類型、求解控制、載荷步設(shè)定、輸出控制等。在ANSYS求解過(guò)程中尤其重要的是求解控制，求解控制中選項(xiàng)的設(shè)定關(guān)系到整個(gè)求解過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短、計(jì)算結(jié)果的精確與否等。求解過(guò)程中需要特別關(guān)注的是非線性選項(xiàng)，包括收斂準(zhǔn)則的選擇、平衡迭代的最大次數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)。

在本文模擬中，應(yīng)力載荷分為30個(gè)子步。計(jì)算時(shí)打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)選項(xiàng)，以便系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間步長(zhǎng)，能夠減少精度和迭代之間的誤差。為了確定求解過(guò)程是否收斂，打開線性搜索選項(xiàng)，設(shè)置最大迭代次數(shù)為100次，收斂容許誤差設(shè)為0.008。

（4）求解

在本文模擬計(jì)算中，計(jì)算的模型為非線性解算，求解器采用系數(shù)矩陣直接求解器，針對(duì)非線性計(jì)算采用Newton-Raphson方程求解。

2 U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架位移對(duì)比

比較U型鋼可縮支架、鋼管混凝土圓形支架的位移大小情況，如圖1所示：

圖1 位移總量對(duì)比

鋼管混凝土圓形支架的位移量明顯小于不封閉型U型鋼可縮性支架，即鋼管混凝土圓形支架承載能力明顯高于不封閉型U型鋼可縮性支架。蔣莊煤礦早期采用的U型支架都是不封閉型的，2013年以后采用封閉型U型鋼支架，日后當(dāng)封閉型U型鋼支架產(chǎn)生變形后可以采用鋼管混凝土圓形支架，能確保支護(hù)效果大為改善。