基于ANSYS的液压支架及底座强度分析

张卫星

【摘 要】液压支架是煤矿综采最重要的支护设备，针对液压支架的两种不同工况，基于有限元数值模拟方法，采用ANSYS分析软件对支架进行了静态结构分析，得出了支架整体模型和关键部件的稳态应力场特性。

【关键词】液压支架；有限元；强度；应力场

Analysis of Hydraulic Support and Base Strength Based on ANSYS

ZHANG Wei-xing

（Qingdao Huanghai College，Qingdao Shandong 266427，China）

【Abstract】Hydraulic support is one of the most important supporting equipments in coal mining.According to the two different working conditions of hydraulic support，finite element numerical simulation method based on the support for the static structure analysis using ANSYS analysis software，the steady support overall model and key components of the stress field characteristics.

【Key words】Hydraulic support；FEA；Strength；Simulation；Stress field

0 引言

在當今社会，煤矿资源的开采利用效率与各个行业的经济效益有着直接的关系，因此，建立高产高效的煤矿生产条件是煤矿企业开发研究的重点目标之一[1]。液压支架作为高效的煤矿井下的最主要的安全支护设备，其发展速度也非常快，随着科技的快速进步，液压支架朝着稳定、安全和自动化程度极高的方向迅猛发展。性能优良、安全可靠的液压支架对于煤矿井下采煤效率的提高有着非常关键的作用。为此，本文基于有限元方法，通过ANSYS分析液压支架及底座在不同载荷条件下的应力场和变形场[2]。

1 有限元分析的应用

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想就是把复杂的问题采用相对简单的问题来逐步代替，即将许许多多的子解集最终组合而成有限元分析结果的求解值，并且每个子解集对问题的解答都有一个相对比较恰当的接近值，通过对这些问题以及必要条件的综合考虑来进行有限元分析计算，从而可以最终推导出满足每个问题解的解集[3]。虽然这些解集是位计算中的近似解答，但是它是在满足解决条件对问题进行很大的简化。对于一个完整的分析来说，使用有限元分析方法的步骤是十分相似的，一般来说主要分为一下几个关键的步骤：

1）前处理。有限元分析的准备步骤称为前处理，是进行计算与分析的定义阶段。通过前处理过程，可以对液压支架的各个部件进行材料属性的定义，选择合理的结构分析单元类型。当进行瞬态分析时，需要对分析步和载荷步进行适当的定义。前处理的主要内容包括模型修改，对模型施加边界条件以及约束，载荷等。

2）划分网格。有限元分析的最关键技术之一为网络的划分，网格计算的精确度直接关系到结果计算的精度。如果网格划分的太过粗糙，会明显的增大误差的数量级，但是如果网格太过于密集，会大大降低计算的效率，甚至导致计算结果发生不收敛。

3）求解及后处理。ANSYS当中有着十分强大的求解器，根据荷载及边界条件的不同，可以计算出所需要的不同的结果，比如变形、应力、应变、反作用力等。

液压支架在设计过程当中最关键的因素为安全及稳定性的安全及稳定性，将有限元分析应用到液压支架的分析能够有效地提升产品设计的性价比。在ANSYS中，可以针对液压支架在各种工况下的承载情况进行结构分析和研究，该分析结果可以为高质量液压支架的设计提供一定的理论依据。

2 模型前处理

2.1 载荷定义

为了模拟出在支架顶梁的不同工况，本文共设置了2种不同的边界条件，每种边界条件的计算都有各自不同的特点，比如，在承受载荷方面，顶梁主要承受扭转与两端之间的集中载荷。因此，在进行有限元分析之前，前处理阶段需要针对两种不同的工况来施加相应的约束以及载荷。针对前扭转，后扭转以及两端集中载荷的情形分别对两端进行UX、UY、UZ 方向的自由度的不同约束。

2.2 网格划分

一般情况下，应用于ANSYS最多的网格划分方法有三种：自由网格、映射网格以及扫掠式网格。自由网格的划分不受零件形状的限制，非常适用于复杂零件的划分，但是计算时的效率不如映射网格和扫略网格[4]。在进行映射网格和扫掠网格划分时，要求被划分对象的结构简单、平整。由于液压支架的零件众多，结构复杂，采用自由网格的划分方法更合适。本文针对液压支架模型特点以及计算机运行能力，最终得出液压支架整体的网格划分模型如图1示。

3 结果分析

3.1 工况一（顶梁受偏心载荷且底座两端受载）

对于第一种工况，液压支架的等效应力与变形云图如图2所示，在该工况下进行的有限元的计算通过前段施加扭转载荷的方式完成，从结果中可以看出：液压支架承受应力最大的位置位于底座的前端；在该承载条件下，液压支架的应力峰值为779.8MPa，最大变形量为34.9mm；在该载荷条件下的液压支架，不同零部件的应力状况与分布具有明显的差异性。

底座的应力与变形曲线如图3所示，从计算结果中可明显地看出：底座的应力与变形分布是比较对称的；底座结构中，最大的应力区域为在四根主筋以及底座前端盖板，底座主筋位置处的柱窝承受非常大的应力，因此易产生裂纹，应力峰值位于次主筋，该位置的应力值为365.955MPa，最大变形量为3.384mm；除了底座柱窝和主筋之外的位置，其承受的应力值均较小，甚至几乎为零。

通过对底座的静态承载分析可知：当顶梁受到偏心载荷时，底座的前端会将到较大的扭转作用力，使得底座出现的最大变形区主要分布在前部。由于底座结构复杂，承载集中且数值较大，因此，将不可避免的产生应力集中现象。局部的应力集中现象并不能直接作为判定零件失效强度的标准[5]，特别在静力学计算时，需要综合考虑结构的形状和载荷条件。由于液压支架在工作过程中承受动载荷的时候比较多，在应力集中的影响下，底座零件在该位置处承受交变载荷，易产生局部损伤，应适当改进此结构。

3.2 工况二（顶梁受扭转载荷且底座两端受载）

液压支架处于该种载荷条件时，计算得出液压支架的整体应力和变形云图如图4所示。从图中可以看出：相比于第一种工况条件，液压支架在该工况条件下的应力分布表现的更加均匀；应力值最大的部件主要为顶梁和底座，支架的最大应力为882.263MPa，要大于第一种工况载荷条件的应力峰值，其最小应力同样接近于零。

底座的应力与变形云图如图5所示，与第一种工况载荷条件下的计算结果略有不同：在底座的四根主筋中，应力分布更加对称，而且峰值集中于中上端位置；最大应力位置接近柱窝上端，为346.977MPa，最大变形量为3.748mm，同样易产生疲劳裂纹；中部和前段的盖板应力分布在底座后端的一侧位置；底座内部其它位置的筋板受力均比较小。

4 结语

1）在两种最常见的工况载荷下，液压支架底座中最容易发生疲劳裂纹的位置为柱窝。在底座承受扭转载荷时，柱窝位置的应力集中最为明显，因此，文中提出采用强度更高的钢板给其加固处理，并且适当增大过桥位置处的过渡圆角半径，以达到减小应力集中的目的。

2）静载荷作用下的强度几乎不受到应力集中的影响，因此，综合考虑机构的超静定问题，一般可以忽略局部的应力集中现象。主筋肋板处应力较大，而且在实际工作面工作过程中，底座底板接触存在很大的变数，更容易产生破坏。

【参考文献】

[1]毛昌明.基于现代设计方法的液压支架研究[D].太原：太原理工大学，2006.

[2]桑冲峰.液压支架数字化设计平台的关键技术研究[D].郑州：郑州大学，2009.

[3]王宝明.液压支架关键元件内部流动及系统工作特性研究[D].北京：中国矿业大学，2011.

[4]曹方梅.ZY8800/22/45D型液压支架有限元分析及强度优化[D].成都：电子科技大学，2008.

[5]王晓卓，刘旭.两柱掩护式液压支架技术现状及发展趋势[J].中州煤炭，2009（1）：41-41.

[責任编辑：田吉捷]