液壓支架頂梁中焊縫處理對強度計算的影響分析

趙 勇

（山煤集團霍爾辛赫煤業有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

作為一種煤礦開采行業中非常重要的裝備，液壓支架的使用、開發一直受到人們的高度關注。液壓支架通常包含頂粱結構、掩護梁結構和底座結構、液壓支撐系統等，如圖1所示為一般采礦業使用液壓支架示意圖。目前對于液壓支架的主流研究主要集中于強度分析、優化設計、疲勞壽命分析等領域[1-3]。而頂梁作為液壓支架中的主要承載部件，對結構的影響至關重要。因此，本文對某型號掩護梁液壓支架頂梁中的焊縫處理對頂梁強度的影響進行研究。

圖1 液壓支架結構簡圖

1 模型建立及網格劃分

1.1 模型建立

本文主要目的是為了探究頂梁有限元模型中焊縫的設置對于應力分析結果的影響，需要建立兩種模型，頂梁A、頂梁B；分別為頂梁不包括焊縫特征的有限元模型和包含焊縫特征的有限元模型。在三維軟件中創建號兩個模型，由于頂梁結構復雜，在建模時將一些對分析結果影響較小的特征進行簡化[4-5]。

頂梁的模型如圖2所示，為求得模型的應力分布情況，需將三維模型導入ANSYS Workbench中，并設置各個板之間的焊縫連接關系，并以此創建頂梁A模型。同理將三維模型導入ANSYS Workbench中，不用創建焊縫特征，以此創建頂梁B模型。焊縫的創建具體軟件操作在此不再贅述。

圖2 頂梁三維模型

1.2 模型網格劃分

對模型結構設置好后，需對其進行網格劃分，由于模型中設置了焊縫結構，為了更準確表達焊縫的特征，在此設定最大網格尺寸為5 mm。網格劃分類型選擇通用性四面體網格。頂梁主要由不同規格的鋼板拼焊而成，頂梁結構材料的參數見表1。在ANSYS Workbench中依據表1對模型材料參數進行設置，已知Q460材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.26，彈性模量E=2.1×105MPa。采用solid185為有限元分析單元類型。模型一共劃分為72 651個單元，包括355 243個節點。如下頁圖3所示，為頂梁網格劃分示意圖[6]。

表1 頂梁結構材質參數

2 載荷加載

在分析焊縫處理對強度計算的影響時，首先選定一種典型的載荷工況來分析頂梁A、頂梁B模型。本文依據《煤礦用液壓支架通用技術標準》，選定扭轉載荷工況來分析頂梁，對液壓支架整體進行受力分析，可以得到頂梁主要受到三種外部載荷：支撐立柱對頂梁的作用力；掩護梁對頂梁的約束作用；墊塊對頂梁的作用力。載荷的大小以及載荷作用位置由圖4所示，其中在墊塊位置設置相應的約束，墊塊位置由虛線表示出。立柱對頂梁的作用力根據額定工作時立柱對頂梁的作用力合力為6 500 kN，將該值乘上1.2的安全系數后為7 800 kN，將合力分解到兩個作用面（面5、面6），方向為豎直方向偏右18°。

圖3 頂梁網格劃分示意圖

根據液壓支架整體模型仿真計算結果提取千斤頂對頂梁底部的支撐力，力作用的位置在頂梁與千斤頂支撐位置的銷軸處的兩個接觸面上（命名面1、面2），分別按笛卡爾坐標系進行分解，大小見表2。同理可以得到掩護梁與頂梁之間的相互作用力，可將作用力施加在筋板的兩特征孔上（命名面3、面4），大小見表 2。

圖4 頂板外載荷作用面

圖5 頂板外載荷作用面

表2 扭轉工況頂梁載荷

3 焊縫處理分析結果

頂梁A、頂梁B模型網格類型、網格單元參數等均相同，網格劃分最大尺寸設置相同；同時載荷與邊界條件均按扭轉工況設置，模型固定約束頂板前后端墊塊。設置好后，分別求頂梁A、頂梁B的應力、應變，如圖6為頂梁A模型應力云圖，為不包括焊縫模型；圖7所示為頂梁B應力云圖，帶焊縫模型。

圖6 頂梁不帶焊縫應力（Pa）分布情況

圖7 頂梁帶焊縫應力（Pa）分布情況

如圖6所示，為頂梁不帶焊縫計算的應力結果，結果顯示最大應力值為4.82e8 Pa，最大應力值出現在頂梁后端與墊塊相接觸區域。圖7所示，為模型帶焊縫時應力計算結果，最大應力值8.61e8 Pa，最大應力出現的區域在頂板角焊縫位置。表3所示，詳細列出了兩種模型不同板件上應力與應變最大值。

表3 頂梁模型焊縫處理計算應力對比

通過分析頂梁A與頂梁B模型在相同載荷與邊界條件的情況下，依據應力分布情況可以得到：有限元模型計算應力過程中對于焊縫的設置對應力值影響較大，帶焊縫應力值約為不帶焊縫時應力值的2倍，而結構位移量相差較小。由此可見對于焊縫的設置，可以更加真實地反映焊接結構焊縫應力集中的情況，基于有焊縫模型對結構使用性能、疲勞壽命等評估更為保守、安全，而不帶焊縫的模型對應力的評估更加危險。

4 結論

1）作為大型薄板焊接結構，焊縫對于頂梁整體結構的影響較大。焊縫作為焊接結構的應力集中最為明顯的區域，同時也是焊接結構中比較薄弱的區域。在做有限元分析時應該將焊縫對模型的影響考慮在其中。

2）采用帶焊縫的頂梁模型計算結果更加真實地反映焊接結構的應力分布情況，帶焊縫的模型計算得到的應力值大于不帶焊縫模型的應力值，使得對于液壓支架結構強度的設計偏于安全，同時，能夠更好地反映真實應力分布情況，為液壓支架的使用于維護提供可靠的理論參考。