应用ANSYS软件对机械结构件进行计算机辅助分析

熊安平

摘 要：本文主要从大型接卸结构件的空间受力层面，进行深入的分析和研究，以经典的液压支架顶梁为主要案例进行解析，使用Pro/E 构建三维模型，引入ANSYS并对其进行结构有限元研究。经过对比，证明构建模型和有限元研究的重要性。并且通过应力和位移等值图中相关数据，提出科学的解决方案。

关键词：计算机使用；有限元研究；液压支架；ANSYS；现状；解决的措施

大型机械中最受设计人员关注的就是其结构件的强度和刚度，过去的强度和刚度在测验的时候，往往会耗损大量的时间，并且得到的数据也很少。随着社会经济的不断进步，大型的繁琐的结构件模型测试也得到了迅猛的发展，并且为其提供了健全的测试空间。使用弹性力学有限元方式作为结构分析的基本学习方法，能够取得比在实验室更多的资料信息，从而给结构件构造、测试和改革提供全新合理的数据资料。本文主要是通过对现代化矿井中综合机械化采煤设备液压支架的顶梁案例进行深入分析，针对其中危险程度较高的试验工况，也就是所谓的顶梁扭转加载，第一使用空间力学的知识来研究其中的受力情况，再根据有限元法进行详细计算，从而更加准确地体现出顶梁的应力集中分布状况、形态和应力布局状况。并且给出合理化的意见，为顶梁结构的优化设计提供有效的帮助。

1 顶梁扭转的空间力学研究

在对顶梁强硬程度检测的过程中，多种工况的构建是以垫块样式和方位的转换来完成的。针对顶梁加扭转载荷是多种加载模式中比较危险的一种情况，也就是把顶面垫块进行不对称分布，使得顶梁出现弯折和扭转的情况。液压支架的力学研究证明，线弹性构造顶梁因为内部压力和外界的因素的影响，会出现变形的状况，立柱在支架顶梁中发挥着巨大的作用。為了更好地进行计算，下面进行以下假想：方垫的受力面积平均，根据垫块的布局载荷，可以比作是受力在垫块中心的集中力Q1，和中面相距为b1，共同作用点位置和长垫块中面的距离为L1；长垫块中的载荷是呈现出了梯形的线性构造，共同的力Q2和中面相距为b2，数量不知。现在以所有的顶梁为主要研究目标，根据静力平衡条件构建顶梁中的空间力系的常用方程。

2 顶梁扭转中的有限元研究

顶梁扭转中的有限元研究属于结构静力学的知识范畴，研究的基本过程是：构建实体模型——规定材料属性——单位有关属性——网络的分类——构建约束和载荷——研究求解—资料结果和图形输出。

2.1 构建实体模型

建立模型要以真实的反映结构力学的主要特点为基础，对模型进行科学的规划。液压支架顶梁的所有都是运用的箱形焊接构造，主要是通过柱窝、筋板等多个零件构成。在建立的过程中，除去了和整体强硬程度没有关系的阀板、管环等零件，进行适当简化后的模型属于三维不对称实体构造。在Pro/E中根据图纸构建液压支架顶梁主要构造，像是筋板、柱窝和盖板等三维实体框架，再组合成为统一的三维实体框架，最后使用 ANSYS 中专业的接口导入ANSYS资料。

2.2 单元筛选和材料的特点

科学的运用单元类型和离散化状态，是完成结构有限元研究能否发挥实际效用的主要目的。根据空间不对称受力的实际特征进行研究，在模型离散化的过程中运用三维实体单元。其中的10节点SOLID92构造四面体实体单元是运用在CAD/CAM体系中的不规范实体模型的单元，和顶梁研究的实际状况相吻合，所以选择相关单元的网格划分。

2.3 边界要求和载荷附加

支架顶梁有限元研究结果的准确性，不但要依靠科学的模型构建，还需要对边界要求进行规定。

（1）依据有关要求规定垫块方位，选择方块奠定面中心的节点1和相对应的长垫块顶部的两个节点2、3，限制坐标中的X、Y、Z方位的平移状况。选择相对应长垫块和方垫块顶面边线中节点限制的Y的平移状况。

（2）顶梁和连杆利用销轴相融合，连杆作为二力杆，是为了更加简便地计算出实际的模拟状况，限制顶梁销轴孔圆弧面中整体节点在连杆位置的平移程度。利用圆弧面中心构建部分坐标系，并且使坐标系Y轴和连杆的方向相融合。把圆弧面中所有的节点坐标系转移到相关部位的坐标系中，限制这些节点Y方向的平移状况。支架顶梁和立柱和球面相碰撞，但是球面载荷的解决比较棘手。依据圣维南原理，对球面接触载荷的相关作用进行简化。但是因为支架前后立柱工作受到了严重的阻碍，依据液压支架通用技术要求中的有关限定，支架试验载荷大约承受了1.2倍的阻力，主要是计算机在窝柱静力前后所形成的等效面载荷。因为支架本身重量较大，其中的重力载荷也比较大。通过对比可以看见，力学研究进行简化可能会产生误差，但是有限元的计算结果和实际结果相吻合。虽然两者在销轴孔出的差别比较大，但是研究结果证明，空间力学研究和有限元研究所得出的形状的转变和应力布局规律，以及测验结构都相同，这种方式是具有实际意义的。

3 结语

针对结构的工程研究虽然知识结构构建中的一个中间部分，但是结构构建的主要目的是为了提出科学合理化的解决方案，就是在定载荷因素中，得出最科学合理的设计。所以在结果研究的层面上，给出相关的解决措施；（1）在主筋前后柱窝的地方添上适量的强筋，从而更好地提升顶梁的承受能力；（2）加大销轴孔出的壁厚程度，强化相应的结构强度；（3）前后端盖板部位所受应力比较小，承受能力空间比价大，所以选择比较薄的板材或是性质比较差的材料；（4）盖板尖角位置需要进行到角处理，盖板中的方孔角制作成为圆角，减轻局部的应力凝聚；（5）还有，不要在主筋应力较大的地方进行钻孔，这样会大大地减轻主筋的承受能力。

参考文献

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