关于某巷道临时支护结构底座的仿真与优化研究

霍卫星

（霍州煤电集团辛置煤矿， 山西 霍州 031412）

1 临时支护系统工作原理

临时支护设备的立柱起支撑顶梁的作用，顶梁则直接对巷道顶板起到支撑作用，四连杆机构主要负责对顶梁高度进行调节，底座结构是对整体结构的支撑，同时包括结构的走行机构，由于承受的载荷情况复杂。该型临时支护主要适用于矩形断面的巷道，如图1 所示为临时支护设备与掘进机之间的位置关系，临时支护设备由两架组成，可以在掘进机掘进过程中随动交替前进[1-2]。

临时支护设备工作时，立柱对顶梁起到支撑作用，顶梁则直接作用于顶板，两组支护设备可交替前进，当需要前进时，第二组临时支护设备的立柱上升，对顶板起到支撑作用，此时，第一组临时支护设备立柱下降，底座往前移动，再将立柱上升顶住顶板，如图交替进行实现支护设备随掘进机同步前进。当掘进机掘进一小段距离时，临时支护设备就要前移，保障开采面的安全，同时临时支护设备可为永久支护的施工提供足够的空间，极大地提高了工作效率[3]。

2 分析模型的建立

2.1 底座三维模型

图1 临时支护结构支护原理示意图

首先利用Solidworks 软件，创建了临时支护结构的三维模型，底座主要承受着顶梁传递下来的载荷，为防止底座在与地面接触时下陷，底座的底面应足够大，同时应满足总体结构的强度要求，底座采用钢拼焊而成，所用钢板厚底为20 mm。将底座三维模型以IGES 文件格式导入ANSYS Workbench，对三维模型的几何进行编辑，去掉对强度分析影响较小的孔等特征[4-5]。为了减小支护系统在移动时的阻力，将底座与顶板支撑柱之间采用球铰接连接，可避免临时支护系统在移动过程中产生较大的偏载荷[6]。

2.2 材料参数设置

对底座的相关模型的材料进行设置，已知底座结构的材料为30CrMnSi，其参数如表1 所示。

表1 30CrMnSi 底座材料参数

2.3 网格划分

对导入模型并设置好参数后，对其进行网格划分，采用四面体自由网格划分，设置单元类型为solid45，整体单元平均大小尺寸设置为30 mm，通过软件自动网格划分功能划分网格，如图2 所示为底座的网格划分示意图，一共划分得到13 094 个节点和10 236 个单元。

2.4 载荷与约束

根据临时支护系统的实际使用情况和受力分析，可以知道在冒顶事故发生时，临时支护系统所受载荷工况最恶劣，因此以冒顶时支护系统受力情况对底座进行分析。底座接触面Z 方向自由度设置为0，在底座四个销轴孔位置施加103 kN 的力，并设置模型的重力加速度，最后对底座有限元模型进行分析求解。

图2 底座网格划分模型

3 分析结果

提取ANSYS Workbench 的计算结果，得到底座的应力分布与最大变形，分别如图3、图4 所示，底座的最大应力值为144.1 MPa，最大应力出现在底座中部，由于底座属于钢板拼焊而成的薄壁结构，当两侧销轴孔受载较大时，结构中部出现较大形变和应力。

图3 底座应力（MPa）分布示意图

图4 底座总变形（mm）示意图

底座最大变形值为0.000 72 mm，变形量较小，结构相对比较安全，最大应力值未超过材料的许用强度。但应对结构纵向方向强度进行加强，防止薄壁结构两端受载较大，出现变量过大的情况。

4 优化分析

优化是一种重要的工程设计优化分析方法，对于结构优化的设计具有重要参考意义，优化模拟分析较为简单，需给出模型的优化目标，和可优化参数，软件即可自动根据强度分析的结果对模型进行优化。优化分析可以提供优化后的模型布局，减少材料使用，可提高设计的经济性。

根据底座的强度分析结果，可以看到最大应力值远小于材料的屈服极限，根据ANSYS 拓扑计算结果，得到了底座优化空间布局。如图5 所示，为优化分析结果，在满足强度要求的前提下尽量降低材料的使用，相比于优化之前优化后底座重量减小了21.7%，优化分析的结果对底座结果设计具有重要参考意义。

图5 优化分析结果

5 结论

1）底座最大应力为144.1MPa，最大位移为0.00072 mm，最大应力与最大变形均出现在底座中部。

2）根据强度分析结果，以底座质量为优化目标，利用优化分析得到优化后底座模型质量减小了21%，该优化结果对结构设计具有重要参考意义。