防冲液压支架变梯度薄壁吸能构件研究

2020-05-20王春华牛慧超

科学技术与工程 2020年9期

王春华，牛慧超*，安达，唐治

(1.沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110000；2.辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新 123000)

冲击地压事故频繁发生[1-2]，给煤炭开采带来了巨大的危害。液压支架[3]是当今煤炭开采主要的巷道支护设备，但大量的破坏表明当冲击地压来临时，支架往往由于抗冲击能力差而突然失稳破坏，造成巷道塌陷，支护结构的防冲性能差，抗冲击载荷能力有限，不能满足防冲支护要求，因此提高液压支架的防冲支护能力是防治巷道冲击地压的重要途径之一。

为此，前人开展了大量研究，主要从改变支架的结构和在支架中添加吸能构件两个方面来改善支架的防冲性能。潘一山等[4]和王凯兴等[5]设计了防冲吸能超前支护液压支架以及门式防冲吸能液压支架，有效的提高了液压支架的防冲能力，但其只适用于一些较为特定的工作环境，不能满足所有的工况。唐治等[6]提出一种矿用内外翻转式吸能防冲构件，该吸能构件在实际应用中，薄壁管易开裂，变形模式不稳定，除此之外需要另外设置导向装置。潘一山等[7]设计了可多次利用的填充泡沫的吸能装置，此类装置吸能主要依靠泡沫来吸收能量，压缩位移小时吸能量少；唐治等[8]设计了一种矿用六边形薄壁吸能防冲构件，此类吸能构件变形稳定，反作用力波动小，冲程效率高，但其制造困难，成本较高。

薄壁圆管构件[9-10]由于制造简单，成本较低，在承受轴向载荷时具有良好的吸能特性，而被广泛应用于抗冲击，抗碰撞结构中，但普通薄壁圆管构件在弯曲压溃时容易发生屈曲失稳，使得整体吸收的能量减少。基于此，设计一种应用于ZQ6000/26/36两柱单导杆式防冲支架[11]的新型变梯度薄壁圆管吸能构件。通过改变不同的厚度差和不同的段数来提高薄壁圆管构件的吸能特性。

1 吸能构件的设计方案与评价指标

1.1 设计方案

变梯度薄壁吸能构件的结构如图1中所示，在保证总高度340 mm，内径200 mm和质量不变的前提下，分别将总高度H的薄壁圆筒分为不同的段数，其中h1、h2、h3、h4、h5分别表示一段、二段、三段、四段和五段，在每段设置0.25、0.5、0.75、1、1.25 mm的厚度差；t1、t2、t3、t4、t5分别表示不同的壁厚。字母SY为方案序号，SY指定后的第一个和第二个数字分别表示段号和厚度差号。第二个数字1～5分别代表0.25、0.5、0.75、1、1.25 mm厚度差号。例如，SY2-4表示二段1 mm厚度差号。设计方案如表1所示。

1.2 评价指标

1.2.1 初始冲击力峰值

初始冲击力峰值Fmax是吸能构件在开始发生塑性变形时的支反力，是支反力-压缩位移曲线中的第一个波峰值。

1.2.2 总吸能量和平均支反力

作为吸能元件薄壁构件主要通过自身的塑性变形来进行冲击动能的吸收和耗散，总吸能E即结构在整个压溃变形过程中所吸收的能量。平均支反力Fmean是吸能构件吸收总能量与压缩位移的比值，总吸能量和平均支反力是衡量构件吸能特性的两个重要指标。

图1 变梯度薄壁吸能构件结构Fig.1 Structure of variable gradient thin-walled energy absorber

表1 变梯度薄壁吸能构件各方案Table 1 Variable gradient thin-walled energy absorbing components

(1)

式(1)中：δ为压缩位移量，mm；F(S)为支反力，kN；S为压缩位移，mm。

1.2.3 支反力标准差

支反力标准差σ可以反映吸能构件变形过程中支反力距平均支反力的波动情况，以及整个构件变形过程的稳定性,其计算公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：N为样本个数，无量纲；Fmean为平均支反力，kN。

2 变梯度薄壁吸能防冲构件的仿真分析

对不同厚度差，不同段数的变梯度薄壁构件进行轴向冲击模拟仿真，分析不同参数对变梯度薄壁构件的屈曲变形过程和吸能特性的影响。

采用ABAQUS/Explicit动态分析模块，来模拟变梯度薄壁构件承受轴向冲击的仿真，选择两个刚性板来辅助完成冲击模拟，结构如图2所示，对下板施加固定约束，将构件的下表面与下板绑定，限制上板除了轴向以外的所有自由度，构件上表面与上板为通用接触，摩擦系数为0.25，吸能构件单元类型选用C3D8R单元。参考大量冲击地压的监测数据，仿真冲击速度设定为5 000 mm/s。模拟选择的材料为Q235，材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。

图2 变梯度薄壁构件有限元模型Fig.2 Finite element model of variable gradient thin-walled members

普通薄壁管类构件轴向压溃屈曲模式变形主要包括手风琴模式变形，金刚石模式变形，混合模式变形(手风琴模式与金刚石模式都有)，欧拉屈曲模式变形四大类。对不同厚度差，不同段数的梯度薄壁构件的有限元仿真结果如下。

图3 薄壁构件变形图Fig.3 Deformation diagram of thin-walled members

(1)如图3所示，普通薄壁圆管构件在轴向冲击作用下的变形模式为钻石模式，形成了较大的塑性铰，在屈曲压缩过程中塑性铰发生了较大的局部偏移。对相同段数，不同厚度差的薄壁构件变形模式进行对比可以发现：分为二段、三段、四段、五段的变梯度薄壁构件的变形模式大多数为钻石模式，SY4-5、SY5-4、SY5-5系列为混合模式。相比于普通薄壁圆管构件，变梯度薄壁圆管构件在屈曲压缩过程中形成的塑性铰数量增多，塑性铰发生了很小的局部偏移，并且随着厚度差的增加，塑性铰形成的位置在上移。这是因为在相邻段数厚度差较小时，塑性铰一般形成在构件的中部，但当厚度差较大时，壁厚薄的轴向刚度小，易发生屈曲变形形成塑性铰。而且当壁厚减小到某一个值后，构件发生轴向叠缩变形。

(2)对相同厚度差，不同段数的变梯度薄壁构件变形模式进行对比发现，其变形模式大致遵循由塑性铰小但数量多的钻石模式-塑性铰大但数量少的钻石模式-混合模式的变化趋势。而且随着厚度差的增加，变梯度薄壁构件的变形模式转换加快。

(3)观察各种方案构件变形压缩过程大致可以分为三个阶段，薄壁构件承受轴向压力，首先进入弹性变形阶段，在很短的时间内达到第一个冲击力峰值(主要由结构的轴向刚度决定)，随后支反力下降进入塑性大变形阶段，这个阶段持续时间较长，构件在这个阶段吸收大量的能量，最后支反力逐渐增大进入密实阶段。

图4 相同段数不同厚度差支反力-位移曲线Fig.4 Counterforce-displacement curves of different thicknesses with the same segment number

如图4所示，等厚度薄壁圆管构件变形压缩过程较为简单，首先支反力快速线性达到冲击力峰值，然后开始下降到某一值后趋于稳定，最后随着压缩位移的增加，支反力成非线性增加。对于相同段数，不同厚度差的变梯度薄壁构件变形过程：大体上，前期支反力-压缩位移曲线与普通薄壁构件支反力-位移曲线变化形式一致，支反力先达到冲击力峰值，然后开始下降到某一值，但在中期有很大的的区别。高度分为两段的薄壁构件在中期出现了两次波峰(每一次波峰代表一次褶皱的形成)，并且随着厚度差的增加，形成的波峰值也在变大；高度分为三段的薄壁构件中期与普通薄壁构件曲线变化一致；高度分为四段且厚度差为1.25 mm的薄壁构件中，在前中期曲线出现了多次小的波动，由于构件发生了轴向叠缩变形，随后又出现了一次大的波峰，这是由于形成了一个较大的塑性铰。高度分为五段的薄壁构件中厚度差为1 mm和1.25 mm系列，曲线基本承上升趋势，这是由于构件先发生了轴向叠缩变形，后发生了褶皱变形。变梯度薄壁构件在压缩至75 mm之后的整体支反力均大于普通薄壁构件，所以在平均壁厚相等的情况下，变梯度薄壁构件吸能量要大于普通薄壁构件。

3 变梯度薄壁构件吸能防冲性能参数分析

3.1 各方案吸能防冲性能参数分析

不同方案变梯度薄壁构件的初始峰值力、吸能量、平均支反力、支反力的标准差曲线如图5所示。

如图5(a)所示，在内径与平均壁厚相等的前提下，变梯度薄壁构件的初始峰值力比普通薄壁构件的初始峰值力要小，对于相同段数，不同厚度差的薄壁构件，随着厚度差的增加，构件的初始峰值力呈下降趋势；对于不同段数，相同厚度差的变梯度薄壁构件的初始峰值力均随分段数的增加而减小。可见，在平均壁厚相等的情况下，变梯度构件的压溃初始壁厚变小，从而减小了初始峰值力。

图5 吸能评价指标参数Fig.5 Energy absorption evaluation index parameters

如图5(b)、图5(c)所示，在内径与平均壁厚相等的前提下，变梯度薄壁吸能构件的吸能量和平均反力均比普通薄壁构件要大。这是由于普通薄壁圆管在发生弯曲压溃时，塑性铰发生较大的局部偏移导致的，塑性变形量过少，吸收的能量较少，说明将普通薄壁圆管构件设计成变梯度构件，有助于提高薄壁构件整体抵抗变形的能力，提高其缓冲吸能的作用。

如图5(d)所示，对于相同段数，不同厚度差的变梯度薄壁构件，三段1 mm厚度差的变梯度构件支反力标准差最小，说明其压溃屈曲变形过程中大多数阶段支反力都维持在平均支反力附近，这是因为三段1 mm厚度差梯度构件在第一次初始峰值后，塑性变形阶段都维持在一个较小的支反力。五段1 mm厚度差的变梯度构件支反力标准差最大，说明其压溃屈曲变形过程中大多数阶段都远离平均支反力，这是因为五段1 mm厚度差梯度构件初始壁厚较小，前期发生了渐进屈曲变形，支反力的大小维持在初始峰值力附近波动，随后进入钻石模式，形成较大的第二次峰值力，后期支反力成线性增长。