基于ANSYS Workbench的液压支架顶梁优化设计

张 欣

(徐州生物工程职业技术学院 机械系, 江苏 徐州 221006)

基于ANSYS Workbench的液压支架顶梁优化设计

张 欣

(徐州生物工程职业技术学院 机械系, 江苏 徐州 221006)

以掩护式支架顶梁为研究对象，对其在5种工况条件下的虚拟强度进行了分析，由分析结果确定以筋板及盖板的结构参数为设计变量进行顶梁结构的优化设计，进而建立了顶梁的优化函数，并以优化设计变量为变化参数建立顶梁的参数化模型，利用ANSYS Workbench的DesignXplorer模块进行了多工况条件下的顶梁优化设计。

顶梁;虚拟强度；优化函数；参数化；DesignXplorer

顶梁是液压支架的重要部件，在采煤工作面的复杂工况下，顶梁能够承接顶板岩石载荷，为工作面提供足够的安全空间。目前许多学者对于顶梁在各种工况下的受力情况进行了较为深入的研究，利用有限元分析方法可以获得顶梁在各种工况下的应力云图，明确顶梁结构的薄弱位置，但是对如何改进顶梁结构，主要依据经验，无法进行最优化设计[1]。本文利用有限元分析平台ANSYS Workbench对顶梁进行了虚拟强度试验，并针对分析结果进行顶梁结构的优化设计。

1 顶梁虚拟强度试验

根据《煤矿用液压支架通用技术条件》对液压支架主体结构件加载试验的要求，本文以掩护式支架ZY6800/19/40的顶梁为研究对象，分别对其在5种工况下的受力状态进行有限元分析，包括两端加载、纵向中间加载、对角加载、扭转加载、偏心加载。

图1 顶梁三维模型

本文首先利用CAD软件SolidWorks建立顶梁的三维模型，如图1所示。模型中包含大量倒角、圆孔、焊接坡口等结构特征。在进行有限元分析时，这些结构特征会严重降低有限元分析的计算效率，使计算结果容易出现奇异性,所以本文对液压支架顶梁模型进行简化。简化原则如下：(1)在焊缝质量得到保证的情况下，焊缝强度一般不低于母材强度，因此在有限元分析时忽略焊缝的影响。(2)略去工艺结构、对受力影响不大的小孔及小尺寸结构等。(3)忽略对支架受力影响不大的零件，如挡销座、吊环和管夹等。

将简化后的顶梁模型导入到ANSYS Workbench平台中，首先定义材料属性。ZY6800/19/40型液压支架的主要材料为Q460、Q550合金钢，金属材料的弹性模量、材料密度、泊松比基本相同，经查设计手册确定材料的弹性模量、密度和泊松比，并在ANSYS Workbench中定义材料的属性为：弹性模量E=210GPa，密度ρ=7 850kg/m3，泊松比μ=0.3，然后将材料属性定义到模型零件中。

顶梁模型导入ANSYS Workbench后，零件之间装配关系需要重新定义。ANSYS Workbench中零部件关系以接触的方式进行处理，目前ANSYS Workbench中提供了5种接触类型，分别是Bonded(粘结)，No Separation(不分离)，Frictionless(无摩擦)，Rough(粗糙的)，Frictional(有摩擦)[2]。顶梁的实际装配关系主要是面与面的焊接关系，零件间不存在相对运动，在有限元计算中忽略焊缝影响，将顶梁各零件间的接触设置为bound(粘结)，这种情况下顶梁是一个整体的结构件。

由于顶梁结构的复杂性，本文采用自动划分法进行网格划分，这样既可以减少网格数量,也可以提高网格的适应性。网格划分完成后，对关键部位(销轴连接部位、应力较大部位)进行局部的网格细化。

液压支架的压架试验是在整架模型的基础上对主体结构件进行的加载试验，本文研究的顶梁虚拟强度试验是在对液压支架进行压架试验的基础上进行的。顶梁受力主要来自4个方面：工作面围岩的压力载荷、立柱支撑载荷、平衡千斤顶、掩护梁对顶梁的作用力。通过垫块的放置来模拟不同工况条件下围岩的压力载荷，并将垫块与顶梁间的接触处理成粘结接触；立柱的支撑载荷，在分析时将其分解,然后加载到顶梁柱帽上；对液压支架进行虚拟压架实验时，顶梁与掩护梁及平衡千斤顶的相互作用力属于内力[3]。对顶梁单独分析时，顶梁与掩护梁及平衡千斤顶的相互作用力属于外力。本文利用液压支架虚拟压架试验，分别求解了掩护梁和平衡千斤顶与顶梁的作用力，并加载到顶梁的相应位置上。液压支架虚拟压架试验不是本文研究重点，求解过程不做详述。完成后的顶梁有限元分析模型如图2所示。

图2 顶梁有限元分析模型

顶梁有限元分析的前处理完成后，可以进行有限元求解。得到部分工况条件下的顶梁应力云图如图3～图7所示。

图3 顶梁两端加载应力云图

2 顶梁结构优化设计

2.1顶梁结构优化的数学模型

通过顶梁虚拟强度试验可以得到顶梁准确、全面的应力云图，从应力云图上可以发现顶梁受力的薄弱位置，为了提高顶梁的可靠性，本文对顶梁进行结构优化设计。顶梁的优化设计目标是在保证顶梁各部分应力小于顶梁材料屈服极限的同时，尽量减少顶梁质量而降低制作成本。

图4 顶梁扭转加载应力云图

图5 顶梁偏心加载应力云图

图6 顶梁纵向中间加载应力云图

图7 顶梁对角加载应力云图

首先建立顶梁优化设计的数学模型，包括目标函数、设计变量以及约束条件。本文研究的顶梁结构是由上盖板、下盖板和立筋等焊接而成的对称三腔室结构，截面形状如图8所示。由各工况下顶梁的应力云图可以看出，除垫块位置应力较大之外，顶梁柱帽附近筋板应力偏大，所以本文选择顶梁筋板厚度、高度，上盖板厚度、下盖板厚度作为优化设计变量，由于顶梁的结构对称，因此只需优化一侧结构参数即可[4]。

图8 顶梁截面图

顶梁优化设计的约束条件包括结构和强度两方面要求。结构方面，每个设计变量都有自己的可行域，以保证结构的合理性。在企业生产中，钢板厚度属于一个系列，因此设计变量可行域是离散的。强度方面，应力值应小于材料的屈服极限，以保证结构的可靠性。

结构优化的数学模型为：

设计变量：X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T

约束条件：σ<σs

X1∈{16,18,20,25}

X2∈{16,18,20,25}

X3∈{418,428,438,448,458,468,478}

X4∈{20,25}

X5∈{25,30}

X6∈{16,18,20,25}

2.2顶梁参数化模型的建立

顶梁参数化模型的建立是顶梁优化设计的基础，ANSYS Workbench对每一个设计点的计算都要首先更新顶梁的参数化模型，然后将模型导入分析模块DesignXplorer进行分析优化。顶梁参数化模型的建立须遵守以下原则：(1)每个设计参数在可行域内变化时，保证顶梁的宽度和长度方向尺寸不能改变；(2)所建立的模型必须具有完整约束，不能存在欠约束的情况；(3)应对顶梁模型进行适当简化，并保证模型的对称性。

顶梁筋板的厚度、筋板的高度、上盖板的厚度、下盖板的厚度为可变参数，其初始值见表1。

2.3顶梁结构的优化设计

本文利用ANSYS Workbench平台的DesignXplorer模块进行顶梁结构的优化设计。顶梁参数化模型建立之后，将模型导入分析模块进行虚拟强度试验，系统根据材料密度计算模型质量，选择将模型质量输出，并在DesignXplorer模块设定质量最小为优化的目标。然后在DesignXplorer模块的Design of Experiments项目中选定筋板的厚度、筋板高度、上盖板的厚度、下盖板的厚度为设计变量，设定变量类型为离散型，并输入参数范围。

表1 顶梁参数化模型初始值

本文研究的顶梁虚拟强度试验的加载方式有5种，在对顶梁进行优化设计的过程中这5种工况必须同时满足。在ANSYS Workbench的项目图解中添加5个静力学分析项目，如图9所示，这5个分析项目同时使用一个分析模型。5个静力学分析项目分别对顶梁进行不同工况下的分析，输出顶梁筋板上的最大应力，然后设定其小于材料的屈服极限。

图9 多工况优化设计流程

按照质量最小的要求，在满足约束条件的设计点中选择出优化设计结果，见表2。从优化结果上看，顶梁质量减轻了124.9kg，为总质量的3.1%，且5种工况下依然满足强度要求。为验证顶梁优化结果的正确性，本文按照优化结果重建了顶梁的三维模型，并对液压支架进行了整架虚拟强度试验，试验结果表明，顶梁在5种工况下满足强度要求。

3 结束语

本文利用ANSYS Workbench分析平台，对液压支架顶梁在5种工况状态下的受力状态进行了分析，并根据分析结果对顶梁进行了多工况状态下的联合优化设计，使顶梁在能够满足强度要求的前提下，有效减轻了整体质量，得到了较满意的结果。

表2 顶梁结构优化结果

[1] 陈艳.基于数字化功能样机技术的液压支架优化设计[J].煤矿机械,2006,27(10):51-53.

[2] 万丽荣,戴汉政,张鑫.基于Cosmos/Works液压支架整架有限元分析[J].煤矿机械,2009,30(10):81-83.

[3] 孙国顺.大倾角综放工作面液压支架优化设计技术研究[D].青岛：山东科技大学,2008.

[4] 姚向豫.液压支架掩护梁的结构优化设计研究[D].郑州：郑州大学,2011.

OptimizationDesignofHydraulicSupportTopBeamBasedonANSYSWorkbench

ZHANG Xin

(Xuzhou Vocational College of Bioengineering, Jiangsu Xuzhou, 221006, China)

Taking top beam of shield type support as a research object, it analyzes this virtual strength in five kinds of working conditions. It defines the structure parameters of stiffened plate and cover plate as the design variables, realizes the optimization design of beam structure. Using DesignXplorer module of ANSYS Workbench, it illustrates the process of optimization for top beam structure under multi working conditions.

Top Team; Virtual Strength; Optimization Function; Parametric; DesignXplorer

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.019

2014-08-01

张欣(1977—)，女，河北衡水人，徐州生物工程职业技术学院讲师，主要从事机械制造、液压等方面的教学与科研工作。

TH122

A

2095-509X(2014)09-0079-04