超長(zhǎng)可移式臨時(shí)支護(hù)裝置的靜力學(xué)分析

孫 珂 時(shí)劍文 侯學(xué)博 劉 輝

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)〈北京〉，中國(guó) 北京100083）

0 前言

煤礦井下，巷道的支護(hù)問(wèn)題一直困擾著煤炭行業(yè)，影響其高效高產(chǎn)、并對(duì)其安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響[1]。隨著綜合掘進(jìn)工作面生產(chǎn)能力和推進(jìn)速度的提高，掘進(jìn)區(qū)范圍的日益加大，掘進(jìn)巷道的機(jī)械化快速掘進(jìn)和快速支護(hù)成為礦井高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。課題組針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種新型超前支架——超長(zhǎng)可移式臨時(shí)支護(hù)裝置，為永久支護(hù)作業(yè)提供安全、便捷的作業(yè)環(huán)境，解決掘進(jìn)巷道臨時(shí)支護(hù)問(wèn)題，對(duì)于提高掘進(jìn)效率具有重要意義。為保證該裝置的可行性，需對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 問(wèn)題的描述

本文利用ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊：如需得到非常高精度的應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果，應(yīng)當(dāng)保證任何影響精度的結(jié)構(gòu)部位都有適當(dāng)?shù)膯卧W(wǎng)格，不對(duì)實(shí)體的任何幾何形狀進(jìn)行細(xì)節(jié)上的簡(jiǎn)化[2]。需要保證應(yīng)力收斂，而且在任意的位置做出的任何的簡(jiǎn)化都可能導(dǎo)致明顯的誤差。如果忽略細(xì)節(jié)，則要運(yùn)用相對(duì)比較粗糙的單元格去計(jì)算法相應(yīng)力以及轉(zhuǎn)角應(yīng)力。復(fù)雜的模型需要有較好的而且均勻的單元網(wǎng)格，并且允許忽略少量的細(xì)節(jié)因素[3]。

需要注意的是ANSYS軟件中單位的選擇，ANSYS軟件中沒(méi)有固定的單位，只需要統(tǒng)一各種度量的單位制，本文使用的標(biāo)準(zhǔn)中間格式IGES導(dǎo)入到ANSYS中。各種度量單位如下：

表1 ANSYS軟件單位制

2 創(chuàng)建有限元模型

2.1 模型的導(dǎo)入

ANSYS軟件是有限元分析軟件，模型的建立功能比較簡(jiǎn)單，所以需要用Solidworks對(duì)其進(jìn)行三維建模。將Solidworks中的超長(zhǎng)可移式臨時(shí)支護(hù)裝置的三維模型保存為IGES格式，然后在ANSYS中導(dǎo)入。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的中格式IGES把Solidworks模型導(dǎo)入到ANSYS中，3種不同的工況的三維模型導(dǎo)入之后如下圖所示，Solidworks導(dǎo)入ANSYS中后各個(gè)金屬構(gòu)件是以不同的實(shí)體而存在的，所以必須定義金屬構(gòu)件的相互接觸問(wèn)題。

2.2 材料屬性

本文的超長(zhǎng)可移式臨時(shí)支護(hù)裝置，主要的金屬結(jié)構(gòu)件的材料大部分為Q345鋼材，它綜合力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車(chē)輛、起重機(jī)、礦山機(jī)械、電站、橋梁等承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于-40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)[4]。

ANSYS的所有分析都必須定義材料屬性，在結(jié)構(gòu)分析中，需要定義材料的楊氏模量和材料的泊松比，經(jīng)查表確定材料的彈性模量為2.05e+11Pa，泊松比為0.3，本文考慮重力的影響，所以需要另外加入重力屬性，查閱鋼材的質(zhì)量密度為7800kg/m3。

在ANSYS中的線性結(jié)構(gòu)材料中選擇各向同性彈性材料，在EX中填入彈性模量2.04e11，PRXY中填入泊松比0.3，另外添加密度屬性為7800。

3 劃分網(wǎng)格

ANSYS默認(rèn)提供了許多種不同的單元類(lèi)型，在本文中，選用Solid187，網(wǎng)格尺寸選擇不大于30mm。以上兩步完成之后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于實(shí)體，三維模型本文采用自由網(wǎng)格劃分，該劃分方式對(duì)實(shí)體模型沒(méi)有特殊要求。對(duì)于該支架的三維模型，薄板結(jié)構(gòu)多，不規(guī)則形狀多，只能通過(guò)自由網(wǎng)格劃分來(lái)對(duì)該z支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用接觸法進(jìn)行分析。網(wǎng)格劃分之后的有限元模型如下圖所示：

圖1 劃分網(wǎng)格后的三維模型

4 施加載荷并求解

4.1 載荷邊界條件的施加

查閱液壓支架試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在支架強(qiáng)度試驗(yàn)的時(shí)候防止不同組合的墊塊模擬支架在井下的實(shí)際工作情況。在本課題中，主要的邊界條件為自由度的約束。由支架的設(shè)計(jì)信息可得知，在一個(gè)支架頂梁的面積上承受巷道頂板的壓力為1200kN，而樣機(jī)試驗(yàn)是通過(guò)墊塊與支架頂梁相接觸進(jìn)行加載，可以將載荷換算為壓強(qiáng)直接加載到頂梁與墊塊接觸的面積上，把頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座作為邊界條件進(jìn)行約束。根據(jù)實(shí)際情況，頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座約束了UY方向的自由度，為了求出相對(duì)的位移，約束其中一個(gè)護(hù)幫千斤頂?shù)腢X、UZ的自由度。

查閱煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件（GB25974.1-2010）的規(guī)定可知，需要按額定工作阻力的1.2倍進(jìn)行加載。各種工況下的載荷和約束加載如下圖所示：

圖2 普通工況載荷加載

如圖所示：支架頂梁受均布載荷，受力面積為整個(gè)頂板，定義重力的方向?yàn)閥軸反向，在頂梁下方連接滑輪處加載一個(gè)支架的重力載荷，根據(jù)實(shí)際情況，定義頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座的自由度。

圖3 工況1載荷加載

如圖所示：支架頂梁受偏心載荷，受力面積為支架前側(cè)位置，定義重力的方向?yàn)閥軸反向，在頂梁下方連接滑輪處加載一個(gè)支架的重力載荷，根據(jù)實(shí)際情況，定義頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座的自由度。

圖4 工況2載荷加載

如圖所示：支架頂梁受扭轉(zhuǎn)載荷，受力面積為頂板左上方和右側(cè)邊緣，定義重力的方向?yàn)閥軸反向，在頂梁下方連接滑輪處加載一個(gè)支架的重力載荷，根據(jù)實(shí)際情況，定義頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座的自由度。

圖5 工況3載荷加載

如圖所示：工況3與工況2的區(qū)別在于工況3模擬一個(gè)立柱失穩(wěn)的情況，所定義約束的時(shí)候不需要定義失穩(wěn)的立柱柱窩，支架頂梁受偏心載荷，受力面積為支架前側(cè)位置，定義重力的方向?yàn)閥軸反向，在頂梁下方連接滑輪處加載一個(gè)支架的重力載荷，根據(jù)實(shí)際情況，定義頂梁的柱窩和護(hù)幫千斤頂支座的自由度。

4.2 設(shè)置參數(shù)及求解

在以上的前處理工作完成后，就開(kāi)始進(jìn)行求解。液壓支架的有限元分析涉及到多零件的接觸，為非線性分析，設(shè)置參數(shù)如下：

1）開(kāi)啟自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，用來(lái)精確設(shè)置時(shí)間步。

2）平衡迭代次數(shù)設(shè)置為50。

3）開(kāi)啟線性搜索，可以使計(jì)算穩(wěn)定。

4）設(shè)置牛頓—拉普森選項(xiàng)為FULL，避免計(jì)算收斂太慢。

5）求解器選用波前求解器。

4.3 有限元計(jì)算結(jié)果

各個(gè)工況分析結(jié)果如下：

1）均布載荷工況：普通工況下有限元計(jì)算的位移云圖和等效應(yīng)力云圖如下：

圖6 普通工況下分析結(jié)

左上圖為位移云圖，由圖可知：支架頂梁最大位移處為伸縮頂梁中間位置，位移為4.4mm，頂梁主體跨中位置的位移為2mm，頂梁主體最大位移為3mm。右上圖為整體應(yīng)力云圖，左下圖為底板局部應(yīng)力圖，右下圖為護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座局部應(yīng)力圖，由圖可知：支架的應(yīng)力分部有區(qū)域性的特點(diǎn)，在錨桿孔處、底座接觸點(diǎn)有應(yīng)力集中頂梁大部分位置應(yīng)力值在192MPa以下，在頂板錨桿孔位置的應(yīng)力集中處，應(yīng)力值在289MPa以下；頂梁的底板承受的應(yīng)力很小，大部分區(qū)域在48MPa以下；整個(gè)頂梁最大應(yīng)力點(diǎn)為護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座與頂梁主體連接處，為433MPa，在實(shí)際制造過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行圓角化處理。

2）工況1：工況1下有限元計(jì)算的位移云圖和等效應(yīng)力云圖如下：

圖7 工況1下分析結(jié)果

左上圖為位移云圖，由圖可知：支架的最大位移處為偏載加載位置，最大位移為6.8mm，相對(duì)于支架結(jié)構(gòu)件鋼板厚度20mm較小。

右上圖為整體應(yīng)力云圖，左下圖為底板局部應(yīng)力圖，右下圖為護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座局部應(yīng)力圖，由圖可知：支架的應(yīng)力分部有區(qū)域性的特點(diǎn)，因?yàn)檩d荷為偏載，所以最大應(yīng)力集中在偏載加載的位置。頂梁大部分位置應(yīng)力值在209MPa以下；頂梁的底板承受的應(yīng)力很小，支架的最大應(yīng)力點(diǎn)為載荷側(cè)的護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座與頂梁主體連接處，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，該底座部分區(qū)域應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在實(shí)際制造過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)。

3）工況2：工況2下有限元計(jì)算的位移云圖和等效應(yīng)力云圖如下：

圖8 工況2分析結(jié)果

左上角為位移云圖，由圖可知最大位移處為伸縮頂梁中間位置，即圖中的紅色位置，最大位移值是5.6mm，相對(duì)于板厚20mm，位移值較小。

右上角為整體應(yīng)力云圖，左下角為伸縮頂梁的局部應(yīng)力云圖，右下角為頂梁底板應(yīng)力云圖，由圖可知，頂板絕大部分滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求，在伸縮頂梁載荷加載的一側(cè)中部有小部分應(yīng)力集中，該區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度；護(hù)幫千斤頂支座受力較小，主要受力位置為立柱柱窩處，滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求。

4）工況3：工況3下有限元計(jì)算的位移云圖和等效應(yīng)力云圖如下：

圖9 工況3分析結(jié)果

左上圖為位移云圖，由圖可知：支架的最大位移處為偏載加載位置，最大位移為7mm，相對(duì)于支架結(jié)構(gòu)件鋼板厚度20mm較小。

右上圖為整體應(yīng)力云圖，左下圖為底板局部應(yīng)力圖，右下圖為護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座局部應(yīng)力圖，由圖可知：支架的應(yīng)力分部有區(qū)域性的特點(diǎn)，因?yàn)檩d荷為偏載，所以最大應(yīng)力集中在偏載加載的位置。頂梁大部分位置應(yīng)力值在216MPa以下；頂梁的底板承受的應(yīng)力很小，支架的最大應(yīng)力點(diǎn)為立柱失穩(wěn)側(cè)的護(hù)幫千斤頂與頂梁主體連接的底座與頂梁主體連接處，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，該底座部分區(qū)域應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在實(shí)際制造過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)。

5 結(jié)論

由以上工況的分析結(jié)果可知：該裝置頂板大部分區(qū)域應(yīng)力值很小，所有工況均在216MPa之下，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求，護(hù)幫千斤頂與頂梁主體的連接座受力較大，并且有應(yīng)力集中，需要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，并對(duì)直角接觸的鋼板采用圓角焊縫，降低應(yīng)力集中。

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