基于ANSYS的大采高液压支架的优化分析.pdf

基于 ANSYS 的大采高液压支架的优化分析 * 徐贵旭 山西轻工职业技术学院, 山西 太原摇 030000 摘摇 要利用有限元分析软件 ANSYS 对大采高液压支架在顶梁受扭转载荷且底座两端受载的工况进行分析,发现在 该载荷下大采高液压支架顶梁和底座应力分布较为严重,其中最大应力发生在大采高液压支架顶梁与垫块连接处。 因此,对该处进行结构优化,再次分析后发现,大采高液压支架应力分布基本不变,但是最大应力却得到显著降低,这 为后续大采高液压支架的设计奠定了基础。 关键词大采高液压支架;顶梁;结构优化;ANSYS;底座 中图分类号TD355. 4摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201503-0009-02 Optimization Analysis of Large Mining Height Hydraulic Support Based on the ANSYS XU Gui-xu Shanxi Light Industry Vocational Technical College, Taiyuan Shanxi 030000, China Abstract In this paper, the large mining height hydraulic support under the condition that torsion load on its top beam and load on both ends of the base is analyzed by using the ANSYS software. It is shown that the stress distribution was serious on the top beam and the base of the large mining height hydraulic support, and the maximum stress occurs in the connection of top beam and the block large in the mining height hydraulic support. Then structural optimization for support design is proposed, it is found that the stress distribution of the large mining height hydraulic support was basically the same, but the maximum stress has been significantly reduced, which laid the foundation for the subsequent design of large mining height hydraulic sup鄄 port. Key words large mining height hydraulic support; top beam; structure optimization; ANSYS; base 0摇 引摇 言 大采高综采作为一种对厚煤层进行一次采全高 的综合机械化开采技术,生产效率高,安全性能好。 而大采高液压支架的发展严重制约着大采高综采技 术的发展。 大采高液压支架是一种利用液压机构对 工作顶板进行支撑并与采煤机相互配合使用的支护 设备。 因此大采高液压支架的设计至关重要。 利用 有限元的方法可对大采高液压支架的不同工况进行 受力分析,可大大的节约成本,同时也为大采高液压 支架的设计提供强有力的理论依据[1]。 1摇 大采高液压支架的有限元分析 1. 1摇 大采高液压支架力学模型的建立 利用有限元进行分析计算的过程中,模型的建立 直接关系到计算结果的正确性和准确性。 因此,在对 液压支架进行建模前应对其力学模型进行简化。 笔 者主要分析大采高液压支架受顶梁扭转载荷且底座 两端受载的工况,其力学模型如图 1、2 所示[2]。 其中顶梁上垫块 a150 mm,高度 h50 mm,d 50 mm,c300 mm。 底座上垫块宽度 a150 mm,厚 度 h50 mm,d50 mm。 该工况下大采高液压支架 的高度为 5 200 mm。 图 1摇 大采高液压支架顶梁摇 图 2摇 大采高液压支架底座 扭转载荷两端加载 1. 2摇 材料特性的确定和单元类型的选择 大采高液压支架主要材料是由 Q690 和 Q550 组 成,其材料属性如表 1 所列[3]。 表 1摇 材料属性 弹性模量MPa泊松比 2.04E50. 3 笔者对大采高液压支架的三维模型进行力学分 析,因此应该选用三维实体单位作为其单元类型。 ANSYS 软件中常用的三维实体单元有 Solid45,Sol鄄 id85,Solid95 等。 笔者选用较为常用的 Solid45 单元。 9 机械研究与应用2015 年第 3 期 第 28 卷,总第 137 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 *收稿日期2015-04-01 作者简介徐贵旭1987-,男,山西大同人,硕士研究生,主要从事机械教学方面的工作。 2摇 大采高液压支架的分析结果 在大采高液压支架单根立柱上施加的载荷为 7 200 KN。 液压支架在顶梁受扭转且底座两端受载工 况下的应力分布如图 3 所示。 从图 3 可看出大采高 液压支架在此工况下其应力分布主要呈现以下特点 底座和顶梁应力较大且最大应力值发生在顶梁处。 此时液压支架的立柱应力最小。 分别对液压支架的 顶梁和底座的应力进行分析如图 4 和 5 所示。 图 3摇 大采高液压支架在顶梁受扭转且底座 两端受载的整体应力分布图 图 4摇 大采高液压支架的顶摇 图 5摇 大采高液压支架的 梁应力分布图底座应力分布图 摇 摇 由于大采高液压支架在顶梁受扭转,从图 4 可看 出液压支架的顶梁应力分布呈不对称分布。 其最大 应力发生在与垫块连接处,最大应力为 882. 263 MPa。 另外顶梁的主筋和盖板处的应力也相对较大。 考虑到液压支架工作过程中可能会出现动载荷的现 象,必须对顶梁进行结构优化,对顶梁的板筋进行加 厚 10 mm。 大采高液压支架底座两端受载,从图 5 可 看出其应力呈对称分布。 应力主要集中在底座主筋 上端且最大应力值为 346. 977 MPa。 从应力结果可 看出液压支架的底座设计能满足使用要求[4]。 3摇 大采高液压支架结构优化结果 对大采高液压支架的顶梁板筋进行加厚 10 mm 后,对其在顶梁受扭转且底座两端受载的工况再次进 行有限元分析,其应力分布图如图 6 所示。 从图 6 可看出优化后的大采高液压支架在顶梁 受扭转且底座两端受载的工况下整体应力分布基本 不变,同样是底座和顶梁应力分布较为严重且最大应 力值发生在顶梁处。 但是顶梁的最大应力由 882. 263 MPa 降低到691. 584 MPa。 此时可以看出对大采 高液压支架进行结构起到了显著地作用。 分别对液 压支架的顶梁和底座进行分析如图 7 和 8 所示[5]。 图 6摇 改进后的大采高液压支架在顶梁受扭转且底座 两端受载的整体应力分布图 图 7摇 改进后的大采高液摇 图 8摇 改进后的大采高液压 压支架的顶梁应支架的底座应 力分布图力分布图 摇 摇 从图 7 可看出大采高液压支架的顶梁的最大应 力同样发生在与垫块连接处且最大值为 691. 584 MPa。 同时由于 ANSYS 分析结果显示的状态为液压 支架在该载荷下的最终应力和应变状态,因此从图 4、7 可看出液压支架在进行结构优化后其顶梁的位 移整体变小,也从另一方面证明了对液压支架的结构 改进的效果明显提高。 通过对图 5 和图 8 的对比可 看出大采高液压支架的底座整体应力分布基本保持 不变,应力主要集中在底座主筋上端且最大应力值为 338. 289 MPa,其应力值与改进前基本保持一致。 4摇 结摇 语 主要介绍了利用有限元分析软件 ANSYS 对大采 高液压支架在顶梁受扭转载荷且底座两端受载工况 下的应力分布情况。 发现在该工况下大采高液压支 架的顶梁和底座应力较大且最大应力发生在顶梁处。 由于液压支架在工作过程中会出现动载荷的现象,因 此对其顶梁进行结构优化。 从优化的应力分析图可 看出优化后的大采高液压支架应力分布基本保持不 变,但是最大应力却有显著降低。 参考文献 [1]摇 谢锡纯,李晓豁. 矿山机械与设备[M]. 徐州中国矿业大学出版 社, 2002. [2]摇 王忠宾,赵啦啦,李舒斌,等. 支撑掩护式液压支架的优化设计 [J]. 重庆大学学报,2009, 329 48-51. [3]摇 赵衡山. 国内外液压支架试验规范浅析[J]. 煤炭科学技术, 1997, 25148-51. [4]摇 傅永华. 有限元分析基础[M]. 武汉武汉大学出版社, 2003. [5]摇 王摇 帅,文继成,高婷婷. ZF4200/17/28 型液压支架有限元分 析[J]. 煤矿机械,2013, 342 97-99. 01 研究与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 3 期 第 28 卷,总第 137 期机械研究与应用