大采高液压支架三维建模与有限元分析

金焕成

摘 要：为了提高大采高液压支架的设计水平，利用Pro/E软件建立了大采高液压支架的三维实体模型，并将模型利用接口导入到ANSYS中，在分析大采高液压支架工况基础上，通过定义单元类型、实常数、材料属性等，将支架信息输入到有限元分析软件中，通过合理的定义载荷和约束，获得了支架顶梁受两端集中载荷、底座扭转载荷工况下的应力云图，直观地获取了支架的应力应变情况。

关键词：大采高液压支架 三维建模 有限元分析

中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0042-02

厚煤层综采过程中，大采高综采被广泛应用，大采高液压支架是综采的关键装备之一。近年来，我国液压支架设计与制造技术得到了较大的提高，但与先进发达国家技术水平相比，我国大采高液压支架方面的设计与制造仍然还有差距，主要有以下几个领域，一是设计理念和设计手段落后，三维建模软件、有限元分析软件都为国外开发，应用时一些关键问题没有得到很好的解决，三维仿真和数值模拟技术没有广泛地应用在大采高液压支架的设计中；二是液压支架相关标准要求比国外发达国家的要求低，大采高液压支架性能的试验水平不高；三是液压支架的操作和控制技术自动化程度较低，移架速度与自动化操控相比低得多，虽然部分支架采用电液控制系统，提高了移架速度，但应用范围并不广；四是在支架关键零件的材料制备和加工工艺方面仍很落后。为了提高高端支架的设计与制造水平，近年来我国投入大量财力、物力、人力对大采高强力液压支架的关键技术进行攻关研究，大采高液压支架受力复杂，厚煤层综采过程中工作面支架受非常大的顶板围岩的作用力，常规液压支架受力分析的方法不能完全照搬到大采高液压支架设计中，该文进行了大采高液压支架三维建模与有限元分析的研究。

1 大采高液压支架载荷特性分析

大采高液压支架所受载荷与综采工作面煤层地质条件有关，复杂的煤层地质条件致使支架在工作过程中承载状态的复杂性。根据相关研究分析，大采高液压支架载荷主要有对称集中载荷和非对称集中载荷两类。支架承受对称的集中载荷又分为支架顶梁中部受集中载荷和支架顶梁前后端集中载荷两种。液压支架受非对称载荷作用时，支架的结构不仅承受垂直的纵向载荷，还要承受横向扭转载荷的作用。

2 某型大采高液压支架实体模型的建立

由于大采高液压支架的顶梁、底梁、掩护梁等为复杂的多腔室薄壁箱形焊接结构，完全按照实体结构建立三维模型非常困难，因此该文在对支架结构进行合理的简化后，用 Pro/E软件对整架建立了三维实体模型，如图1所示。

3 ANSYS有限元分析

将Pro/E软件建立的三维建模，通过接口导入到 ANSYS软件中，然后对模型进行了网格划分以生成节点和单元，并定义了实常数、材料属性、单元属性，选择好单元类型，根据支架工作受力情况，定义了载荷和约束，对不同工况分别进行了有限元分析，获得了相应的云图。图2是顶梁承受两端集中载荷、底座扭转载荷的有限元模型，图3为顶梁承受两端集中载荷、底座扭转载荷的应力云图。

通過整架应力云图可得出支架的应力状况。如果施加其他类型载荷，采用同样方法，即可获得相应的支架应力情况。

4 结语

该文运用PRO/E软件，对大采高液压支架建立了三维实体模型，导入到ANSYS软件中，对顶梁两端集中载荷底座扭转加载工况下进行了有限元分析，获得了支架的整架应力云图，对大采高液压支架的受力情况有了直观的掌握，为支架的结构优化提供有益参考。利用该方法，对支架的其他承载情况也能够获得其相应的应力云图。

参考文献

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