基于Workbench的ZY4000型液壓支架結構強度分析

衛晉鵬

(晉能控股晉城煤炭事業部 宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

我國的煤炭資源儲量相對豐富，現已探明的煤炭資源儲量約為6萬億t，占世界煤炭資源總儲量的11.8%左右。我國每年煤炭資源的開采與消耗都較大，據相關資料統計，我國2016年煤炭資源消費量在作用一次性能源中占比約為75%，因此可以說國家社會經濟的發展對煤炭資源的依賴程度較高，所以保障煤炭資源的開采即是保障國家經濟的發展。

液壓支架主要被用于井下煤炭開采過程中對巷道的支撐，方便采煤機的移動或煤炭資源的運輸，對保障煤炭開采的安全生產具有重要作用。液壓支架在實際使用過程中常發生的結構類故障主要包括頂板結構失效、立柱的結構破壞、底座破壞，其結構破壞的主要原因是結構在使用過程中承受沖擊載荷作用。因此在液壓支架結構的設計過程中，需要對其關鍵結構部件的強度進行分析，有針對性地提高設備的抗沖擊能力[1]。

1 ZY4000型液壓支架

液壓支架的主體結構為鋼制焊接結構，在實際工作中常發生結構失效。液壓支架的關鍵部件包括頂梁、底座、支撐立柱、掩護梁結構、液壓系統等。頂梁在液壓支架工作過程中與頂板接觸，主要對巷道頂板提供支護；掩護梁的作用則是防止側面的落石對設備造成損壞；底座是與底面相接觸的部件，是液壓支架的基座，并與立柱、頂梁相連；立柱是頂梁與底座之間的支撐結構，具有調節液壓支架支撐角度的能力[2]。

ZY4000型液壓支架作業煤層厚度范圍為6～16 m；適應煤層傾角要求≤15°；工作阻力4 000 kN，支護強度0.7 MPa；液壓支架中心距1.5 m，是一種應用廣泛的液壓支架，圖1為ZY4000型液壓支架結構示意。

圖1 ZY4000液壓支架結構示意

2 有限元分析理論

有限元分析理論是計算復雜工程力學問題的重要研究手段之一，近年來取得了較大的發展，理論進一步完善，計算結果也更合理可靠。有限元分析方法是將復雜的連續體問題離散為單元和節點之間聯系的關系，整體結構各單元之間的關系可以用一個剛度矩陣來表示，載荷施加在單元與節點之上，單元被賦予一定的屬性即可模擬真實結構的受載荷情況。有限元分析計算可以了解整個結構的受載情況，也可以直觀地了解結構應力、應變分布，對于結構設計具有重要參考意義[3]。

有限元計算分析發展出來許多有限元計算軟件，本研究采用了美國ANSYS公司的ANSYS Workbench。該軟件具有操作流程簡單、易上手、分析結果可靠等優點，相較于經典版的APDL具有更好的非線性收斂能力。軟件分析的操作流程大致可以分為三維模型建立、有限元分析模型建立、計算求解、查看分析計算結果等步驟，其分析流程可以簡化為圖2所示步驟。

圖2 有限元靜態分析流程

3 三維建模

三維模型的建立對結果影響較大，為了得到可靠的計算結果，首先根據液壓支架的工程圖創建三維模型。由于有限元分析中對模型單元劃分質量有一定要求，為避免產生不收斂或計算耗時過大等情況，需要對模型做簡化處理。對模型的簡化處理應不影響對液壓支架結構強度計算結果，因此模型簡化遵循如下準則[4]：

1) 非關鍵結構、非承載結構可以簡化，如液壓支架上輔助設備安裝連接位置、連接板之類。

2) 在保證液壓支架關鍵結構尺寸的基礎上，對于非承載式筋板可以簡化，對于一般的小開孔、耳板等結構可以做簡化處理。

3) 液壓支架為大型焊接結構，可以認為焊接處焊縫強度與原材料一致，焊縫處強度未減弱，因此可以將模型視為一個整體進行建模。

在建模時應注意，保留液壓支架各部件之間的連接銷軸，在有限元分析時應將其設置為接觸約束。立柱為液壓油缸，主要實現對液壓支架不同部位進行調節，在有限元計算分析中可以將立柱視為二力桿，不考慮其長度的變化[5]。

4 有限元分析模型建立

1) 材料屬性。ZY4000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強度為690 MPa，且Q690材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3。由于液壓支架結構中使用Q460結構較少，在分析時可以統一設置為Q690。在模型導入ANSYS Workbench時需對液壓支架各相對獨立的部件之間設置接觸，選擇“contact”設置各部件之間的相互接觸關系，模擬液壓支架的實際受載情況。

2) 網格劃分。對模型網格的處理會影響到模型計算的結果，理論上講網格劃分越密計算的結果也越可靠，但網格過小會導致模型求解時間大幅增加，所以應控制網格劃分數量。根據液壓支架結構的實際尺寸，在Workbench中設置網格劃分參考尺寸為50 mm。為提高網格劃分質量，將網格畸變系數設置為0.9，設置單元類型為SOLID45實體單元。最后根據軟件的自適應網格劃分法，計算得到共269 081個單元，379 238個節點[6]。

3) 載荷工況。對液壓支架載荷的研究工作是相對成熟的，關于液壓支架結構分析工況已經形成了通用技術標準，主要用于模擬液壓支架在不同情況下的受力情況，以驗證液壓支架結構設計的合理性，為液壓支架的結構設計提供了有力參考。

在此參照國標《液壓技術通用技術條件》，結構液壓支架實際受載情況選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉工況兩種工況進行分析，按照標準進行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明。

5 計算結果

基于到四強度理論對液壓支架整機結構強度進行分析，根據計算結果可以直觀得到液壓支架的受力特征、應力分布情況，為液壓支架的結構設計提供重要的理論參考，下面分別對液壓支架在兩種工況下的計算結果進行描述。

5.1 頂梁偏載工況

在頂梁偏載工況加載下，計算得到液壓支架的應力與應變云圖如圖3所示。根據計算結果可知，液壓支架各部件的應力大小差異較大，其最大應力值為553.89 MPa，最大應力位于頂梁左側；最大位移值為18.812 mm，位于頂梁的右側頂端，由此可見液壓在偏載工況作用下產生了比較明顯的扭轉。

圖3 頂梁偏載工況計算結果

5.2 頂梁、底座承受扭轉載荷

液壓支架在頂梁、底座承受扭轉載荷工況下，根據Workbench計算分析結果，如圖4所示，可對液壓支架整體結構進行分析。

圖4 扭轉工況計算結果

從圖4中可知，液壓支架在扭轉載荷工況下最小應力為0.016 MPa，最大應力值為909 MPa，最大應力值已超過材料的屈服強度，最大應力值點位于頂梁左后側，液壓支架其他部件如掩護梁、連桿等的應力較小。根據液壓位移云圖4(b)所示，其最大位移為20 mm，發生在頂梁左前邊緣位置，其余區域位移量均較小。此工況下最大應力超過了材料的屈服強度，表明實際結構在此最大應力值點容易產生破壞。

5.3 優化改進意見

根據對ZY4000型液壓支架應力應變分析結果，結構中有可能造成應力比較集中的區域，因此該后續的設計中應對其進行改進，針對液壓支架結構提出兩條改進意見：①避免應力集中。液壓支架整體應力較小，但應力集中區域最大應力已超過材料屈服強度，應增加立柱與頂梁之間連接耳板。②可以提高頂梁頂板材料承載能力，可將頂板材料改為Q890。

6 結 語

以ZY4000型液壓支架為研究對象，首先根據其工程設計圖建立三維實體模型，并對模型做了相應的簡化，列出了模型簡化的原則。建立了液壓支架的有限元分析模型，并依據液壓支架結構校核載荷標準選擇了兩種載荷工況對液壓支架進行了分析，計算得到在頂梁偏載工況下最大應力值為553.89 MPa，頂梁與底座受扭轉工況下最大應力值為909 MPa，超過了材料的屈服強度。基于分析結果提出了兩條該型液壓支架設計改進的意見，該研究對于此類型液壓支架結構設計與優化提供了重要的理論參考。