液壓支架整機(jī)疲勞損傷仿真分析*

□ 王 海 □ 趙 北 □ 柳佳岐 □ 劉曉峰 □ 林君哲

1.三一重型裝備有限公司 沈陽 110027 2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 沈陽 110004

1 分析背景

液壓支架是采煤作業(yè)中保證作業(yè)空間和安全生產(chǎn)的重要裝備。由于行業(yè)的特殊性,必須保證液壓支架在服役過程中安全可靠[1-2],由此對設(shè)計(jì)研發(fā)液壓支架提出了很高的要求。按照國家標(biāo)準(zhǔn),制造完成的液壓支架需要經(jīng)歷靜強(qiáng)度及多工況疲勞耐久性測試,以檢驗(yàn)是否合格[3]。按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行性能考核,通常需要耗費(fèi)大量時(shí)間與成本,如果考核不合格,還要進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。如果在設(shè)計(jì)階段就能對液壓支架的靜強(qiáng)度及疲勞耐久性進(jìn)行有效預(yù)估,將大幅度降低研發(fā)費(fèi)用,縮短研發(fā)周期。工程仿真軟件技術(shù)不斷成熟,使在設(shè)計(jì)階段就完成液壓支架的性能考核成為可能。筆者對液壓支架整機(jī)疲勞損傷進(jìn)行仿真分析。

目前,學(xué)者和工程技術(shù)人員針對液壓支架的疲勞壽命、耐久性,已經(jīng)開展了一些仿真研究。趙峰[4]利用ANSYS Workbench軟件對8 m超大采高掩護(hù)式液壓支架的疲勞特性進(jìn)行了分析,獲得了結(jié)構(gòu)的最短壽命點(diǎn)。宋宇寧等[5]針對液壓支架的頂梁,利用SolidWorks和ANSYS軟件進(jìn)行疲勞性能仿真,獲得了頂梁的壽命云圖,以及不同載荷條件下的可靠度。鄭曉雯等[6]利用ADAMS、Nastran、Fatigue等軟件,對液壓支架頂梁進(jìn)行了疲勞壽命仿真。高琳等[7]使用FE-Safe軟件對液壓支架后連桿進(jìn)行了疲勞壽命仿真,相關(guān)結(jié)果可用于改進(jìn)液壓支架的設(shè)計(jì)。從上述研究可以看出,當(dāng)前對液壓支架疲勞性能進(jìn)行仿真研究大多集中于頂梁、連桿等關(guān)鍵部件,而按照國家標(biāo)準(zhǔn),需要對液壓支架整機(jī)進(jìn)行疲勞耐久性考核。另外,整體研究還缺乏系統(tǒng)性,尚未建立起從原理、流程到結(jié)果綜合評判的液壓支架疲勞耐久性仿真技術(shù)規(guī)范。

nCode軟件是一款可集成在ANSYS Workbench平臺上的高級疲勞分析軟件,能夠?yàn)榭蛻籼峁┫冗M(jìn)的疲勞分析解決方案[8]。筆者基于Workbench和nCode軟件,對典型兩柱式液壓支架整機(jī)進(jìn)行疲勞耐久性仿真,提出便于操作,且符合國家標(biāo)準(zhǔn)的液壓支架疲勞耐久性仿真流程。以頂梁中間加載和底座兩端加載工況為例,進(jìn)行適用于后續(xù)疲勞耐久性計(jì)算的液壓支架整機(jī)靜力學(xué)仿真,應(yīng)用nCode軟件執(zhí)行液壓支架疲勞損傷率計(jì)算,得到各損傷云圖,疊加生成總損傷云圖。

2 疲勞仿真原理

液壓支架疲勞仿真的目標(biāo)是模擬國家標(biāo)準(zhǔn)中多工況液壓支架疲勞耐久性測試過程,進(jìn)而保證所研發(fā)的液壓支架最終具有較好的耐久性。GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》中規(guī)定,設(shè)計(jì)研發(fā)完成的液壓支架需經(jīng)歷多種疲勞性能考核,加載工況見表1。對此,筆者提出基于Miner損傷累加原理[9-10]來完成液壓支架的疲勞仿真。

表1 液壓支架疲勞性能考核加載工況

按照Miner損傷累加原理,疲勞是線性累積的,即每一次加載對材料造成的損傷都是獨(dú)立進(jìn)行的,并且每一次損傷可以線性累積成總損傷。當(dāng)壽命損傷率之和等于100%時(shí),材料失效。對此,在進(jìn)行液壓支架整機(jī)疲勞仿真分析時(shí),可分別求解每一個(gè)加載工況下液壓支架的損傷率,然后進(jìn)行損傷率的線性疊加,最后進(jìn)行總損傷值的判定。

(1) 針對每個(gè)加載工況,根據(jù)液壓支架模型,在對應(yīng)的載荷譜作用下,計(jì)算得到整機(jī)的損傷云圖。

(2) 輸出每個(gè)加載工況的節(jié)點(diǎn)損傷數(shù)據(jù),依次記為D1、D2、…、Dn,n為所要考慮的工況數(shù)。

(3) 依據(jù)miner損傷累加原理,將各加載工況損傷線性相加,得到所有加載工況下液壓支架危險(xiǎn)點(diǎn)的總損傷D:

(1)

(4) 若總損傷D的最大值大于等于100%,則對應(yīng)節(jié)點(diǎn)處材料失效,即液壓支架失效。反之,則對應(yīng)節(jié)點(diǎn)處材料未失效。由此可以判定液壓支架是否符合耐久性要求。

3 疲勞仿真流程

進(jìn)行液壓支架疲勞仿真的關(guān)鍵是要完成每一加載工況的損傷率計(jì)算,并有效將各加載工況損傷率疊加。靜強(qiáng)度計(jì)算是有效進(jìn)行液壓支架疲勞仿真的前提,需要在有限元建模環(huán)節(jié)對最終各加載工況損傷率疊加做好準(zhǔn)備。筆者基于Workbench和nCode軟件完成液壓支架疲勞仿真,Workbench軟件主要用于進(jìn)行液壓支架靜力學(xué)分析,nCode軟件用于完成各加載工況的疲勞損傷率計(jì)算。對于單一加載工況,進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算的流程如圖1所示。

▲圖1 單一加載工況疲勞仿真流程

(1) 按加載工況要求確定適用于疲勞仿真的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型。液壓支架的整機(jī)模型由頂梁、掩護(hù)梁、底座、可活動(dòng)側(cè)護(hù)板等關(guān)鍵部件組成,符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。在建模時(shí),還要按照國家標(biāo)準(zhǔn)施加不同的加載墊塊。為了便于劃分網(wǎng)格,最終獲得的模型可存為Parasolid中間格式文件,用于導(dǎo)入Workbench軟件。

(2) 靜力學(xué)分析。所做的靜力學(xué)分析服務(wù)于疲勞分析,必須使每一個(gè)加載工況下液壓支架的節(jié)點(diǎn)保持一致。在WorkBench軟件中對同一模型進(jìn)行多次網(wǎng)格劃分,即使所有操作都一致,產(chǎn)生一致的網(wǎng)格形狀,但每次的節(jié)點(diǎn)編號都不一樣。而后續(xù)疲勞損傷疊加過程中,基于相同節(jié)點(diǎn)編號進(jìn)行疊加,因此需保證所有加載工況下液壓支架同一位置都有相同的節(jié)點(diǎn)編號。筆者采用先對液壓支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再劃分墊塊的方法。先形成一個(gè)只包含液壓支架有限元模型的模板文件,后續(xù)包含墊塊的對應(yīng)于各加載工況的有限元模型均基于此模板文件創(chuàng)建,由此保證不同加載工況下液壓支架節(jié)點(diǎn)編號及網(wǎng)格的一致性。

對液壓支架進(jìn)行靜力學(xué)分析,步驟包括輸入材料參數(shù),設(shè)定接觸,劃分網(wǎng)格,施加載荷,施加邊界條件約束,靜力學(xué)求解。

(3) 疲勞分析。利用nCode軟件讀取靜力學(xué)分析得到的模型在確定加載工況下的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果,結(jié)合輸入的材料應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)和載荷譜數(shù)據(jù),依據(jù)損傷累加原理進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算,得到模型疲勞損傷結(jié)果。

nCode軟件功能強(qiáng)大,可預(yù)搭建一個(gè)疲勞仿真分析框架,用于執(zhí)行具體的疲勞仿真,并可進(jìn)行相應(yīng)的修改。nCode軟件疲勞仿真分析框架如圖2所示,通過計(jì)算可獲得液壓支架各個(gè)加載工況的疲勞損傷云圖。

▲圖2 nCode疲勞仿真分析框架

(4) 損傷疊加與總損傷云圖。將得到的每一加載工況的液壓支架損傷率進(jìn)行疊加。需要注意的問題是,nCode軟件只能輸出損傷值大于10-8的節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)因損傷值過小而被去除。對此,為了最終數(shù)據(jù)累加,需要將每一加載工況的各節(jié)點(diǎn)損傷數(shù)據(jù)補(bǔ)全。通過執(zhí)行代數(shù)累加程序,可以將不同加載工況液壓支架同一節(jié)點(diǎn)的損傷數(shù)據(jù)加在一起,形成損傷總數(shù)據(jù)。

基于總損傷數(shù)據(jù),通過編寫ANSYS APDL命令流,結(jié)合Workbench軟件靜力學(xué)分析結(jié)果,在ANSYS APDL經(jīng)典界面輸出總損傷云圖,可以直觀地觀察液壓支架在經(jīng)歷各種加載工況考核后的損傷情況。

4 分析實(shí)例

筆者以頂梁縱向中間加載和底座兩端加載這一典型加載工況為例,介紹基于Workbench和nCode軟件進(jìn)行液壓支架整機(jī)疲勞損傷仿真的過程。

4.1 靜力學(xué)分析

加載的液壓支架計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型如圖3所示,按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求在頂梁及底座部分加了墊塊。將這一模型導(dǎo)入Workbench軟件,進(jìn)行靜力學(xué)分析。

▲圖3 加載的液壓支架計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型

先對液壓支架整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再對墊塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,這樣進(jìn)行操作可以確保各加載工況液壓支架主體的節(jié)點(diǎn)及單元一致,適用于損傷云圖的最終疊加。需要注意的是,由于在二次網(wǎng)格劃分中主要執(zhí)行的是對墊塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,因此需要在墊塊和液壓支架間添加新的接觸,并進(jìn)行接觸更新及網(wǎng)格更新。通過兩步網(wǎng)格劃分得到的液壓支架有限元模型如圖4所示。

▲圖4 液壓支架有限元模型

按國家標(biāo)準(zhǔn)模擬液壓支架的內(nèi)加載,分別選中四個(gè)柱窩面施加載荷,將已知的立柱工作阻力變?yōu)檩d荷施加到液壓支架上,如圖5所示。選中液壓支架底座的墊塊,對其進(jìn)行固定約束。選中液壓支架頂梁上的墊塊,對其進(jìn)行無摩擦約束。至此完成了全部設(shè)置,可進(jìn)行靜力學(xué)求解。靜力學(xué)分析得到的應(yīng)力云圖如圖6所示,可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在可活動(dòng)側(cè)護(hù)板下的銷軸處,值為1 019.7 MPa。

▲圖5 施加載荷

▲圖6 液壓支架應(yīng)力云圖

4.2 疲勞仿真分析

在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,利用nCode軟件進(jìn)行液壓支架疲勞仿真分析,進(jìn)而得到各加載工況的疲勞損傷率。具體過程如下:① 用nCode軟件讀取靜力學(xué)分析得到的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果;② 導(dǎo)入材料應(yīng)力壽命曲線,輸入載荷譜數(shù)據(jù);③ 在軟件中搭建疲勞仿真分析框架;④ 依據(jù)損傷累加原理進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算,得到疲勞壽命結(jié)果。

載荷譜需單通道輸入,在一個(gè)周期內(nèi)分為三個(gè)不同階段,曲線如圖7所示。增壓階段液壓增大至額定工作壓力的1.05倍,卸載階段液壓減小至額定工作壓力的25%,每個(gè)階段持續(xù)1 s。

▲圖7 載荷譜曲線

最終獲得液壓支架損傷云圖,如圖8所示。各節(jié)點(diǎn)損傷率值可以用于后續(xù)所有加載工況損傷數(shù)據(jù)的疊加。

▲圖8 液壓支架損傷云圖

4.3 損傷數(shù)據(jù)累加

按照國家標(biāo)準(zhǔn),將求解的每一加載工況損傷數(shù)據(jù)疊加,并在此基礎(chǔ)上生成總損傷云圖。由于靜力學(xué)分析時(shí)劃分的網(wǎng)格單元及節(jié)點(diǎn)完全一致,因此在nCode軟件中仿真得到的節(jié)點(diǎn)損傷數(shù)據(jù)可以按對應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號進(jìn)行疊加處理,具體操作包括各加載工況的損傷數(shù)據(jù)匯總,通過編程求解,將各加載工況的損傷率累加在一起,形成一個(gè)包含總損傷數(shù)據(jù)的文本文件。

利用ANSYS APDL命令流,選取任一加載工況的液壓支架有限元模型作為云圖基礎(chǔ),將總損傷數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)在這個(gè)基礎(chǔ)模型上,獲得液壓支架總損傷云圖,如圖9所示。

▲圖9 液壓支架總損傷云圖

5 結(jié)束語

筆者根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),對液壓支架進(jìn)行了整機(jī)疲勞損傷仿真分析,由此提出了一套基于Workbench和nCode軟件的液壓支架整機(jī)疲勞耐久性仿真流程。

在靜力學(xué)分析環(huán)節(jié),先進(jìn)行液壓支架主結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,再進(jìn)行墊塊網(wǎng)格劃分,這樣可以使各加載工況液壓支架的主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及單元一致,使總損傷云圖的疊加成為可能。

在各個(gè)加載工況的疲勞損傷仿真環(huán)節(jié),提出基于nCode軟件完成疲勞損傷的具體流程,包括讀取靜力學(xué)分析得到的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果,導(dǎo)入材料應(yīng)力壽命曲線,輸入載荷譜數(shù)據(jù),在軟件中搭建疲勞仿真分析框架,依據(jù)損傷累加原理進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算,得到疲勞壽命結(jié)果等步驟。

將各加載工況損傷數(shù)據(jù)累加,進(jìn)而生成總損傷云圖。具體操作時(shí),通過執(zhí)行代數(shù)累加程序,將不同加載工況液壓支架同節(jié)點(diǎn)的損傷數(shù)據(jù)加在一起,形成損傷總數(shù)據(jù);基于總損傷數(shù)據(jù),編寫ANSYS APDL命令流,結(jié)合靜力學(xué)分析結(jié)果,在ANSYS APDL經(jīng)典界面輸出總損傷云圖。

通過總損傷云圖,可以直觀地觀察液壓支架在經(jīng)歷各種加載工況考核后的損傷情況。