液压支架立柱的流固耦合分析.pdf

第5期 总第 1 6 8期 2 0 1 1年 1 0月 机 械 工 程 与 自 动 化 MEC HANI C AL EN GI NE ER J NG ＆ AU r OMA T1 0N No ． 5 Oc t ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 1 0 0 0 5 9 0 2 液压支架立柱 的流 固耦合分析 任 洁 ，刘永参 ，兰 明 ，郝明锐 ，吴凤林 1 ．太原理工大学，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 摘要采用直接耦合法对液压支架立柱的活柱部分进行 了静力学的流固耦合分析 ，并对比了没有流体时立柱 的受力状况，直观地显示了流固耦合对立柱的影响。 关键词液压支架；立柱；流固耦合 中图分类 号T D 3 5 5 ． 4 文献 标识码 A 0引言 流固耦合作为流体力学和固体力学交叉而生成的 一 门力学分支 ，近年来 已经引起力学方面研究人员的 广泛关注，并且运用到 了机械、电子等多个行业 。在 煤矿机械中，液压支架作 为综采工作 面 3大设 备之 一 ，由于其独特的液压结构 ，使得研究其流固耦合成 为必要。 1 系统模型的建立 P r o ／ E软件 以参数化著称 ，是参数化技术 的最早 应用者 ，由于其强大的三维建模能力以及和A N S Y S 的 无缝连 接，使 P r o ／ E成 为本 课题 建模 软件 的首选 。 A N S Y S软件作为全面的 C A E软件具备流固耦合分析 功能，所 以应用 A N S Y S进行模型的有限元分析。 将液压支架立柱 的模型进行适 当的简化 ，由于立 柱具有轴对称结构 ，可 以利用对称性只研究 1 ／ 4的立 柱模型 ，如图 1 所示 。本文以液压支架立柱的活柱部 分为例进行研究 ，其 1 ／ 4模型如图 2所示。 图 1 液压支架立柱的 1 ／ 4模型 2 活柱的流固耦合分析 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支 ，是 流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。其研究 对象是固体在流场作用下的各种行为以及 固体变形或 运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相 介质之间的相互作用 ，即固体在流体动载荷作用下产 生变形或运动 ，而固体 的变形或运动又反过来影响到 流场， 从而改变了流体载荷的分布和大小。总体上， 流 固耦合 问题按耦合机理可分为两大类 ，一类的特征 是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ，在 方程上的耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引人 的 ；另一类的特征是流 、固两相部分或全部重叠在一 起 ，耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。 图 2液压支架立柱活柱 的 1 ／ 4模型 2 ． 1 选定 分析 采 用的方 法 对于流固耦合分析 ，A N S Y S有 3种模块 可 以运 用 A N S Y S ／ M e c h a n i c a l 模块或含该模块的软件包 中的流固耦合分析功能 ，但此处的流体是非流动的流 体 ，是静流体 ，它计算流体由于重力、惯性力 、波动 压力等引起的分布压力载荷与结构的相互作用；② A N S Y S ／ F L O T R A N ／ S t mc t u r a l 模块 ，可 自动实现流固耦 合迭代计算 ，并可对迭代容差 、流场收敛精度 、流场 网格变形等进行控制；③A N S Y S ／ L SD Y N A模块， 可通过速度 、加速度 、罚函数 3种方式直接与结构单 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 1 ；修 回 日期 2 0 1 1 0 5 1 8 作者简介 任沽 1 9 8 5 - ， 女 ， 山西太原人 ， 在读硕士研究生 ， 研究方 向 机 械设计及理论 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - 6 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1 年 第 5期 元进行耦合计算 。本文所研究 的立柱中的活柱 ，其中 的液体乳化液是非流动的，相 当于是静流体 ，因此选 用 A N S Y S ／ Me c h a n i c a l 模块就可 以对其进行 流固耦合 分析⋯。 在对立柱这样的结构进行分析时 ，流固耦合作用 的机理主要有 3种摩擦耦合、泊松耦合和连接耦 合 2 J 。本文 中立柱 内的流体没有速度 和加速度 的突 变也没有强烈的摩擦 ， 所以类似于泊松耦合。 耦合场的分析类型依赖于所耦合的物理场 ，其分 析方法可分为顺序耦合和直接耦合两大类。顺序耦合 方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析 ，每一种 属于某一物理场分析 ，通过将前一个分析的结果作为 载荷加载到后一个分析中的方式进行耦合 ；直接耦合 法只包含一个分析 ，它使用包含多场 自由度 的耦合单 元通过计算包含所需物理量 的单元矩阵或载荷向量的 方式进行耦合 。本次研究采用直接耦合法。 2 ． 2 分析 中需要注意的几个问题 在 P r o ／ E中建立模型时是 以 m m为长度单位，导 入到 A N S Y S中时就要特别注意单位 的换算。A N S Y S 中不存在单位制 ，所有的单位是 自己统一的。一般先 确定几个物理量的单位 ，然后导出其他的物理量 的单 位 。长度单位为 m m时 ，质量单位为 t ，力的单位 为 N，时间单位为 S ，温度单位为c 【 ，压强单位为 MP a ， 密度单位为 t ／ m m ，速度单位为 m m ／ s 。 在选择单元类型时，由于流固耦合的特殊性 ，必 须选择特定 的单元 ，以满 足流 固界 面节点对应 的要 求 引。 在 A N S Y S中对模型进行 网格划分 时，由于要求 添加流固耦合标签 ，所 以要求流体与固体接触表面的 界面节点对应 J ，这就使 得再划分网格 时必须使 用 映射网格。但是液压支架立柱的活柱结构 比较复杂 ， 不能全部划分为映射网格 ，因此本文采用布尔运算对 三维模型先进行切割再粘贴划分网格 。 2 ． 3 活柱的流 固耦合分析 在立柱 中的流体是静流体 ，为 了使结果更 加直 观 ，本文还进行了立柱在没有流体的情况下的受力分 析 ，这样就可以更加明显地看出流固耦合作用 。立柱 中有 、无流体时 的等效应力 图分别如 图 3 、图 4所 示 。 3结论 由图3 、图4可以看出，在有流体的情况下最大 应力为 5 4 8 ． 1 5 1 M P a ，远大于没有流体作用 时活柱的 最大应力 2 0 1 ． 3 4 5 MP a ，而且在流固耦合作用下 ，液 压支架活柱 的最大应力集 中在 固体和液体接触表 面 上，而不是无流体作用时的外圆柱面底端尖角处。因 此流固耦合分析对实际的应用更具有参考价值 ，更加 贴近实际情况。 图3 活柱流固耦合分析后的等效应力图 图4 活柱无流体时的等效应力图 参考文献 [ 1 ] 朱洪来， 白象忠 ．流固耦合问题的描述方法及分类简化 准则[ J ] ． 工程力学， 2 0 0 7 1 0 9 2 9 9 ． [ 2 ] 林磊 ．管道流固耦合方法研究 [ D] ．西安 西北工业大 学 ， 2 0 0 5 2 - 3 ． [ 4 ] 小飒工作室 ．最新 A N S Y S及 A N S Y S Wo r k b e n c h教程 [ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 曾娜， 郭小刚．探讨流固耦合分析方法[ J ] ．水科学与工 程技术 ， 2 0 0 8 s 1 6 5 6 8 ． A Fl l l i d s o l i d Co u p l i n g An a l y s i s o f Hy d r a u l i c S u p p o r t Pr o p s REN J i e ，LI U Yo n g - c a n ，LAN Mi n g ，HAO Mi n g - r u i ，W U Fe n g - I i n 1 ．T h e o r y ， T a i y u a n U n i v e r s i t y 0 f T e c h n o l o g y ，T a iy u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ．C h i n a Un i v e rsi t y o f Min i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t F l u i d - s o l i d c o u p l i n g a n a l y s i s o f u p p e r p r o p o f h y d r a u l i c s u p p o r t i s ma d e b y t h e d i r e c t c o u p l i n g me t h o d．Co mp a r i s o n i s ma d e t o t h e f o r c e an a l y s i s o f h y d r a u l i c s u p po rt p r o p w i t h o u t fi l l i n g fl u i d ． T h e fl u i d s o l i d c o u p l i n g i n fl u e n c e o n t h e p r o p i s r e fle c t e d i n t u i t i v e l y ． Ke y wo r d s h y d r a uli c s u p p o rt；p r o p；fl u i d s o l i d c o u p l i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m