超长可移式临时支护装置的静力学分析

2015-01-02时剑文侯学博

科技视界 2015年4期

孙珂时剑文侯学博刘辉

（中国矿业大学〈北京〉，中国北京100083）

0 前言

煤矿井下，巷道的支护问题一直困扰着煤炭行业，影响其高效高产、并对其安全生产产生重要的影响[1]。随着综合掘进工作面生产能力和推进速度的提高，掘进区范围的日益加大，掘进巷道的机械化快速掘进和快速支护成为矿井高产高效、安全生产的关键技术之一。课题组针对上述问题，提出了一种新型超前支架——超长可移式临时支护装置，为永久支护作业提供安全、便捷的作业环境，解决掘进巷道临时支护问题，对于提高掘进效率具有重要意义。为保证该装置的可行性，需对其进行静力学分析。

1 问题的描述

本文利用ANSYS的结构分析模块：如需得到非常高精度的应力、应变和位移结果，应当保证任何影响精度的结构部位都有适当的单元网格，不对实体的任何几何形状进行细节上的简化[2]。需要保证应力收敛，而且在任意的位置做出的任何的简化都可能导致明显的误差。如果忽略细节，则要运用相对比较粗糙的单元格去计算法相应力以及转角应力。复杂的模型需要有较好的而且均匀的单元网格，并且允许忽略少量的细节因素[3]。

需要注意的是ANSYS软件中单位的选择，ANSYS软件中没有固定的单位，只需要统一各种度量的单位制，本文使用的标准中间格式IGES导入到ANSYS中。各种度量单位如下：

表1 ANSYS软件单位制

2 创建有限元模型

2.1 模型的导入

ANSYS软件是有限元分析软件，模型的建立功能比较简单，所以需要用Solidworks对其进行三维建模。将Solidworks中的超长可移式临时支护装置的三维模型保存为IGES格式，然后在ANSYS中导入。本文采用标准的中格式IGES把Solidworks模型导入到ANSYS中，3种不同的工况的三维模型导入之后如下图所示，Solidworks导入ANSYS中后各个金属构件是以不同的实体而存在的，所以必须定义金属构件的相互接触问题。

2.2 材料属性

本文的超长可移式临时支护装置，主要的金属结构件的材料大部分为Q345钢材，它综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以上寒冷地区的各种结构[4]。

ANSYS的所有分析都必须定义材料属性，在结构分析中，需要定义材料的杨氏模量和材料的泊松比，经查表确定材料的弹性模量为2.05e+11Pa，泊松比为0.3，本文考虑重力的影响，所以需要另外加入重力属性，查阅钢材的质量密度为7800kg/m3。

在ANSYS中的线性结构材料中选择各向同性弹性材料，在EX中填入弹性模量2.04e11，PRXY中填入泊松比0.3，另外添加密度属性为7800。

3 划分网格

ANSYS默认提供了许多种不同的单元类型，在本文中，选用Solid187，网格尺寸选择不大于30mm。以上两步完成之后就可以进行网格划分。对于实体，三维模型本文采用自由网格划分，该划分方式对实体模型没有特殊要求。对于该支架的三维模型，薄板结构多，不规则形状多，只能通过自由网格划分来对该z支架进行网格划分，并采用接触法进行分析。网格划分之后的有限元模型如下图所示：

图1 划分网格后的三维模型

4 施加载荷并求解

4.1 载荷边界条件的施加

查阅液压支架试验的国家标准，在支架强度试验的时候防止不同组合的垫块模拟支架在井下的实际工作情况。在本课题中，主要的边界条件为自由度的约束。由支架的设计信息可得知，在一个支架顶梁的面积上承受巷道顶板的压力为1200kN，而样机试验是通过垫块与支架顶梁相接触进行加载，可以将载荷换算为压强直接加载到顶梁与垫块接触的面积上，把顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座作为边界条件进行约束。根据实际情况，顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座约束了UY方向的自由度，为了求出相对的位移，约束其中一个护帮千斤顶的UX、UZ的自由度。

查阅煤矿用液压支架通用技术条件（GB25974.1-2010）的规定可知，需要按额定工作阻力的1.2倍进行加载。各种工况下的载荷和约束加载如下图所示：

图2 普通工况载荷加载

如图所示：支架顶梁受均布载荷，受力面积为整个顶板，定义重力的方向为y轴反向，在顶梁下方连接滑轮处加载一个支架的重力载荷，根据实际情况，定义顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座的自由度。

图3 工况1载荷加载

如图所示：支架顶梁受偏心载荷，受力面积为支架前侧位置，定义重力的方向为y轴反向，在顶梁下方连接滑轮处加载一个支架的重力载荷，根据实际情况，定义顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座的自由度。

图4 工况2载荷加载

如图所示：支架顶梁受扭转载荷，受力面积为顶板左上方和右侧边缘，定义重力的方向为y轴反向，在顶梁下方连接滑轮处加载一个支架的重力载荷，根据实际情况，定义顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座的自由度。

图5 工况3载荷加载

如图所示：工况3与工况2的区别在于工况3模拟一个立柱失稳的情况，所定义约束的时候不需要定义失稳的立柱柱窝，支架顶梁受偏心载荷，受力面积为支架前侧位置，定义重力的方向为y轴反向，在顶梁下方连接滑轮处加载一个支架的重力载荷，根据实际情况，定义顶梁的柱窝和护帮千斤顶支座的自由度。

4.2 设置参数及求解

在以上的前处理工作完成后，就开始进行求解。液压支架的有限元分析涉及到多零件的接触，为非线性分析，设置参数如下：

1）开启自动时间步长，用来精确设置时间步。

2）平衡迭代次数设置为50。

3）开启线性搜索，可以使计算稳定。

4）设置牛顿—拉普森选项为FULL，避免计算收敛太慢。

5）求解器选用波前求解器。

4.3 有限元计算结果

各个工况分析结果如下：

1）均布载荷工况：普通工况下有限元计算的位移云图和等效应力云图如下：

图6 普通工况下分析结

左上图为位移云图，由图可知：支架顶梁最大位移处为伸缩顶梁中间位置，位移为4.4mm，顶梁主体跨中位置的位移为2mm，顶梁主体最大位移为3mm。右上图为整体应力云图，左下图为底板局部应力图，右下图为护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座局部应力图，由图可知：支架的应力分部有区域性的特点，在锚杆孔处、底座接触点有应力集中顶梁大部分位置应力值在192MPa以下，在顶板锚杆孔位置的应力集中处，应力值在289MPa以下；顶梁的底板承受的应力很小，大部分区域在48MPa以下；整个顶梁最大应力点为护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座与顶梁主体连接处，为433MPa，在实际制造过程中，需要对其进行圆角化处理。

2）工况1：工况1下有限元计算的位移云图和等效应力云图如下：

图7 工况1下分析结果

左上图为位移云图，由图可知：支架的最大位移处为偏载加载位置，最大位移为6.8mm，相对于支架结构件钢板厚度20mm较小。

右上图为整体应力云图，左下图为底板局部应力图，右下图为护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座局部应力图，由图可知：支架的应力分部有区域性的特点，因为载荷为偏载，所以最大应力集中在偏载加载的位置。顶梁大部分位置应力值在209MPa以下；顶梁的底板承受的应力很小，支架的最大应力点为载荷侧的护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座与顶梁主体连接处，产生了应力集中，该底座部分区域应力值超过了材料的屈服强度，在实际制造过程中，需要对其进行加强。

3）工况2：工况2下有限元计算的位移云图和等效应力云图如下：

图8 工况2分析结果

左上角为位移云图，由图可知最大位移处为伸缩顶梁中间位置，即图中的红色位置，最大位移值是5.6mm，相对于板厚20mm，位移值较小。

右上角为整体应力云图，左下角为伸缩顶梁的局部应力云图，右下角为顶梁底板应力云图，由图可知，顶板绝大部分满足材料强度要求，在伸缩顶梁载荷加载的一侧中部有小部分应力集中，该区域的应力超过了材料屈服强度；护帮千斤顶支座受力较小，主要受力位置为立柱柱窝处，满足材料强度要求。

4）工况3：工况3下有限元计算的位移云图和等效应力云图如下：

图9 工况3分析结果

左上图为位移云图，由图可知：支架的最大位移处为偏载加载位置，最大位移为7mm，相对于支架结构件钢板厚度20mm较小。

右上图为整体应力云图，左下图为底板局部应力图，右下图为护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座局部应力图，由图可知：支架的应力分部有区域性的特点，因为载荷为偏载，所以最大应力集中在偏载加载的位置。顶梁大部分位置应力值在216MPa以下；顶梁的底板承受的应力很小，支架的最大应力点为立柱失稳侧的护帮千斤顶与顶梁主体连接的底座与顶梁主体连接处，产生了应力集中，该底座部分区域应力值超过了材料的屈服强度，在实际制造过程中，需要对其进行加强。