液压支架的整体有限元分析

姓名：陈雷平申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：李淑娟

20070701

摘要论文题目：学科专业：研究生：指导教师：液压支架的整体有限元分析机械工程陈雷平李淑娟副教授摘签名：签名：要煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺及装备水平不断提高，液压支架作为综采工作面的关键设备，为煤炭综采成败的关键因素。本文对液压支架设计方法进行了研究，通过液压支架的发展状况分析，总结了我国液压支架设计所取得的成就，指出了传统液压支架设计中存在的问题，把三维设计和整架的有限元分析引入支架设计中。以ｚＦ８５００／２１／４０ＹＤ型两柱掩护式放顶煤液压支架为例，利用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ三维机械设计ＣＡＤ软件，大幅度缩短液压支架的设计周期，建立了支架三维实体模型和进行运动仿真分析，并对支架的三维模型的建立、各零件之间如何处理、模型的简化、有限元软件的选择、支架各部件接触面的处理、网格的划分进行了深入的研究。利用三维模型建立起来的虚拟样机，很大程度上替代了传统设计中制作样机验证设计的过程，极大的缩短了设计周期，降低了成本。通过对各种边界条件下的受力分析，确定了危险的边界条件。利用有限元软件对整架液压支架受力状况进行有限元分析，得出了在底座承受扭转载荷、顶梁偏载、顶梁扭转、底座两端受载等不同的边界条件下，液压支架的应力分布情况和危险部位，为液压支架的设计和分析提供了理论参考，对提高支架的设计质量和改进制造过程中的焊接工艺均有一定的指导意义。关键词：液压支架三维整体有限元西安理工大学工程硕士学位论文Ｔｉｔｌｅ：ＦＩＮＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＡＮＡＬ．ＹＳＩＳＯＦＳｐｅｃｉａｌｔｙ：ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷＨＯＬＥＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＵＰＰＯＲＴＮａｍｅ：ＬｅｉｐｉｎｇＣｈｅｎＳｉｇｎａｔｕｒｅ：厶皿留幽Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ：拉坐生Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＳｈｕｊｕａｎＬｉＡｂｓｔｒａｃｔｈｔｈｉｓｔｗｅｎｔｙｙｅａｒｓ，ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎａｄｖａｎｃｅｄｉｎｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｌｅｖｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｋｅｙａｇｒｅａｔｓｐＩ剐．Ｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｄ，ｔｏｏ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｉｓｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｖｅｍｉｎｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｉｔ＇ｓｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｏｆｍｉｎｉｎｇｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｏｒｎｏｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅａｕｔｈｏｒａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｍｅｔｈｏｄａｎａｌｙｓｉｓｔｏｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｕｉｌｄｉｎｇａｎｄｗｈｏｌｅｓｕｐｐｏｒｔｆｉｎｉｔｅＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｍａｉｎｌｙｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ．ＺＦ８５００／２１／４０ｈｙｄｒａｕｈｃｓｕｐｐｏｒｔ．ＵｓｍｇＰｒｏ／Ｅｓｏｆｔｒｅｄｕｃｅｓｔｉｍｅｏｆｄｅｓｉｇｎｇｒｅａｔｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎ，ａｎｄｃｈｏｏｓｅｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｅｓｓｏｆｔ，ｃｏｎｔｒａｃｔａｒｃｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｍｅｓｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｂｕｉｌｔ．ｏｎＴｈｒｏｕｇｈｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｂａｓｅｄｔｈｅｔｌｌｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ．ｔｈｅｃｏｓｔａｎｄｔｉｍｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｇｒｅａｔｌｙａｎｄｔｈｅｏｌｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｉｎｓｔｅａｄｅｄ．ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｈｏｌｅｆｏｒｃｅＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｓｕｇｇｅｓｔｓｔｈｅｍｏｓｔｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｌａｃｅｇｕｉｄｉｎｇｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏａｄｖａｎｃｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎＫｅｙｗｏｒｄ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ；ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｗｈｏｌｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎａｌｙｓｉｓ．ＩＩ独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论文作者签名：单五连巨仁——瑚年７月／日学位论文使用授权声明本人ｌ孤！塑聋在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并已经在西安理工大学申请博士／硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：Ｉ）已获学位的研究生按学校规定提交ｆ４Ｊ届＇Ｊ版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；２）为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二｝ｓ馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权西安理工大学研究生部办理。（保密的学位论文在解密后，适用本授权说明）论文作者签名：衄导师签名：．泰：器∑８０７年７月／日１绪论１．绪论煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，丌采工艺及装备水平不断提高，液压支架作为综采工作面的关键设备，为综采成败的关键因素．并对煤矿安全生产有着重要的影响．本论文分析了液压支架的发展情况和趋势，并对现有的设计方法进行了简要的介绍，并通过三维模型的建立和有限元对支架进行深入的分析和研究，对液压支架的设计进行评价和改进。１．１液压支架综述１．１．１液压支架国内外的发展历程综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志，高产高效的综采技术的核心是工作面综采设备。工作面综采设备包括三大配套设备：采煤机、刮板输送机和液压支架。在综合机械化采煤中，液压支架不仅起到支护项板、维护作业空间的作用，而且要推移工作面的采煤机和运输机，是整个综合机械化采煤工作面的关键设备，并且在整个综采工作面中的投资中占了整个投资的６０％左右。因此，对液压支架的研究对整个综合机械化采煤具有重大意义。图１－１液压支架Ｆｉｇ．Ｉ－１Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ１９５４年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上．开辟了回采工作面支护设备的技术。西安理工大学工程硕士学位论文２０世纪６０年代起，国外各主要产煤国家，如苏联、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制出了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛的应用，从根本上改变和提高了地下丌采的作业条件和安全性。目前，这些主要采煤国的液压支架已逐渐向程控、遥控和自动化方向发展。我国是液压支架的发展主要经历了引进、仿制、改进和研制等几个阶段。２０世纪７０年代，我国从英国、德国、苏联等国家引进了数十套液压支架，经过试用、仿制和总结经验，到８０年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了二十多种不同规格液压支架，并在国内大、中煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平ｗ。１．１．２高产高效综采技术对液压支架发展的要求在２０世纪８０年代，世界煤炭工业进入由传统产业向现代化发展的阶段。科学技术的发展带动了煤矿开采机械现代化装备的发展。美国、德国、澳大利亚等国家率先在井下开采中大力提高机械化和自动化程度，采用大功率、高可靠性设备，实现高度集中化生产，发展综采高产高效工作面。我国也于上世纪９０年代开始加速发展高产高效现代化矿井．高产高效矿井建设的不断发展，对综采设备的生产能力和可靠性要求也越来越高。其中，液压支架开始向着大配套、大阻力、高可靠性方向发展；同时，自２００１年起强制执行新的町．３１２—２０００＜液压支架通用技术条件》，对液压支架的强度和耐久性试验要求显著提高，在一定程度上又促进了液压支架在可靠性程度上的提高０１。１．２液压支架的设计方法及存在问题１．２．１液压支架的设计方法我国是世界上主要的产煤国家，煤矿总数超过世界上其他所有国家煤矿的总和，所以液压支架技术的研究在我国的煤矿装备研究中处于很重要的地位。综采技术经过２０多年发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效，对配套的高效液压支架需求愈来愈迫切。我国液压支架的研究开始于２０世纪６０年代末７０年代初。３０多年来我国已经研制了垛式、节式、掩护式和支撑掩护式等系列液压支架，并且针对不同的地质条件和煤层厚度开发了中厚煤层液压支架、大采高液压支架、薄煤层液压支架、大倾角液压支架和铺网式液压支架，大大提高了我国采煤的机械化程度。在这３０多年的液压支架研究过程中，我国液压支架的设计方法也有了很大的改变和提高．传统的液压支架的设计一般要经过样机设计一样机制造一型式试验一改进设计一生产定型等阶段。在样机的设计阶段，设计者主要采用经验设计和类比设计的方法，所有的２１绪论图纸设计均在二维平面内完成（由刚丌始的手工绘制到后来的计算机辅助制图），而这些会使设计者拘泥于原有的设计，需要把大部分精力投入到图纸的绘制当中，使设计者不能把精力投入到更为主要的设计工作当中，很容易造成产品的结构布局不合理。其次，传统设计中，样机的制造和试验是对液压支架的强度进行检测，在检测过程中不能排除生产工艺及加工制造过程对液压支架质量的影响，因而它不能评定该设计的优劣。同时，设计者为了满足强度的要求，盲目增大零件尺寸，浪费原材料，增加生产成本，降低企业的市场竞争力，并造成输送困难等，所以强度满不满足要求也不能成为评判设计优劣的标准。由于不能直接评定设计的优劣，此后的设计改进就不能达到很好的效果。总之，传统的设计方法设计周期长，试验费用大，已经不能适应液压支架设计的要求。近几年来，我国液压支架的设计研究取得了很大的成就，表现为：１．设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学特性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出了液压支架设计计算通用软件系统，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。２．完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元分析成功的应用与液压支架的研究当中。３．技术规范和标准化建设取得重要进展。我国已经先后制定液压支架系列技术标准１７项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一。４．计算机辅助设计（ＣＡＤ）有了较大的发展，并在液压支架的设计中广泛应用。综上所述，随着三维设计软件和有限元分析的出现和广泛应用，我国液压支架的设计已经有了长足的进步ｏ】。１．２．２液压支架强度计算研究现状随着有限元法的快速发展。有限元法已经发展成为ＣＡＥ的核心，对产品的概念设计、详细设计和提高产品的质量起着越来越重要的作用。由于计算机硬件和大型通用有限元软件的发展，对液压支架的设计和强度检验也广泛的使用有限元法。目前，在液压支架中有限元方法的应用主要有：煤炭科学研究总院研究人员运用ＡＮＳＹＳ软件，依据欧洲ＣＥＮ标准，对液压支架千斤顶进行了偏载非线性有限元仿真分析，提高了设计的可靠性“１。郑州煤矿机械厂使用有限元软件ＡＤＩＮＡ对液压支架底座进行强度优化设计，在使液压支架底座满足结构强度的条件下重量降低了１６，６８％。中国矿业大学（北京）通过利用ＳＯＬＩＤＥＤＧＥ建立掩护梁三维模型，使用ＡＢＡＱＵＳ对其进行强度有限元分析并对掩护梁的改进提出了意见“１。西安理工大学工程硕士学位论文１．２．３液压支架设计中存在的问题目前，计算机辅助设计（ＣＡＤ）在我国的广泛使用，促进了液压支架设计水平的迅速提高，并取得了很大的成就，但是还存在以下几个问题：１．虽然有限元法已在液压支架的设计中越来越广泛的应用，但大部分集中在对个别部件的分析上，且因现有的有限元软件在建模上比较困难，对整架分析做的还比较少。２．对各个组件连接的处理上，有各种方法，一种是用杆单元来模拟销轴连接，变接触问题为线性问题，提高计算速度；另一种是采用接触来进行计算，但接触面的选择和处理比较麻烦ｗ。３．因对支架没有做整体的强度分析，对各个工况下部件的受力趋势没有很明确的了解。１．３课题内容及解决办法１．３．１问题的提出液压支架在综合机械化工作面中的首要任务是支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间，直接和井下工作人员的生命安全息息相关；其次液压支架还要推移采煤机和运输机，对采煤效率有着巨大的影响。因此液压支架具有足够的强度是液压支架设计的基本要求．然而传统的设计，对设计过程中的各个参数均作为定值来处理，没有考虑事物的不确定性，认为只要安全系数大于某一规定的经验值就是安全的，但是由于设计变量是集中的离散性，它实际上并不能保证安全，而为了保证安全，设计中盲目的选用高强度材料或者人为的加大零件尺寸，会造成不必要的浪费。因此，应该在设计的初始阶段，就考虑到设计参数的不确定性，把设计参数作为随机变量进行设计，从而在保证可靠的情况下节省了原材料，降低了成本。本文就是把液压支架的设计进行研究，把三维设计和有限元设计引入支架设计中，总结出一套行之有效的液压支架设计方法，并对其进行整架受力分析。１．３．２本文的研究内容为了研究液压支架强度的分析方法，本课题以兖矿集团东滩煤矿６００万吨全自动综采工作面配套的ｚＦ８５００／２１／４０ＹＤ型两柱掩护式放顶煤液压支架为例，在对该液压支架的结构和受力分析的基础上，选用相应的软件对该支架进行三维建模和强度分析，检验该液压支架的强度，分析其各个部件的受力趋势，提出改进意见，总结出一套分析液压支架强度的方法，对今后液压支架的设计提供参考。整个课题中过程中。主要对以下几个方面进行研究：１．模型的简化及建立对模型进行适当的简化是进行分析的必要条件，而简化的模型又必须能准确地反映原４１绪论有模型的受力状况和边界条件，这就对模型简化提出了要求，应在不损失计算精度的前提下，尽量进行简化。２．数据格式的转换问题在不同软件之间进行数据转换，数据流失一直是个问题。数据流失会对整个分析产生很大的影响，因此，如何在各个软件之删进行数据转换对整个分析也很重要。３．边界条件的确定液压支架由多个部件组成，结构和载荷复杂，局部区域变形较大，有时呈现明显的几何非线形，各零部件配合面之间存在接触问题及变形协调问题。尤其是在现场井下生产时，顶、底板对支架施加的载荷方式更是千变万化，而这都会对支架的分析结果产生影响。由于实际分析过程中不可能对每个载荷工况都进行分析，因此，如何确定选择具有代表性的载荷并对其进行准确简化。４．合理的有限元分析在有限元分析中，必须控制一定的误差以保证分析的精度。在有限元分析软件中，只能通过单元类型和网格密度进行误差控制。因此，选择合适的软件划分合适的网格也是分析的关键，并对各部件之间的接触进行定义，以达到整架分析的效果。５．对分析结果进行研究，对支架应力分布提出一个比较有规律性见解。１．４论文结构论文共分五章，各章主要内容如下：第１章：绪论主要介绍国内外液压支架技术的发展及现状，并且对液压支架的设计方法进行简述，并对其存在的问题进行分析，提出将三维设计和有限元分析引入支架设计．第２章：液压支架载荷分布和试验标准通过研究液压支架的工作情况，分析液压支架外载荷产生的原因，并对顶梁和底座的外载荷特征进行分析，总结容易导致液压支架损坏的载荷工况，为后面液压支架强度和可靠性分析提供依据第３章：液压支架有限元三维模型的建立对主流的三维设计软件和有限元分析软件进行简要的介绍，并根据具体的情况进行选择。本章还对三维模型的建立进行研究，为下一章的有限元分析作好准备工作。第４章：液压支架的有限元强度分析根据使用情况对支架模型进行简化，通过对支架试验标准的研究，确定支架的实验高度并选择三种载荷工况进行分析，得出了各主要部件的应力云图和变形图，并根据计算结果对原支架进行改进。第５章：结论与展望对液压支架所做的三维设计和有限元分析进行简要的总结，评价其对设计产生的效５西安理工大学工程硕士学位论丈果，同时对因时间和条件不足在本课题中未进行研究的部分作出简要的展望，并指出进一步研究的方向。６２液压支架载荷分布和试验标准２．液压支架载荷分布和试验标准通过研究液压支架的工作情况，分析液压支架外载荷产生的原因，并对顶梁和底座的外载荷特征进行分析，对容易导致液压支架损坏的载荷工况进行总结，为后面液压支架强度和可靠性分析提供依据。２．１液压支架外载荷来源工作时，液压支架主要承受的外载荷是矿压，因此对液压支架进行分析，就要研究综采面的围岩机理，探讨围岩特性对液压支架性能的影响，分析液压支架的适用条件”１。在采煤工作面，液压支架支护顶板，如图２－１所示。当煤层被采动后，顶板有压力显现。作用在支架上的载荷大体上可以分为两个部分，一是直接顶形成的压力Ｑｌ，二是老项形成的压力Ｑ２。如果直接顶比较完整，在工作面上方的直接顶呈现悬壁状态，煤壁和顶板共同承担Ｑ１，当直接顶破碎，则由顶板独自承担压力Ｑｌ：位于直接顶上方的老项通常不与直接顶一起下落，当直接项在支架项梁之后冒落，老顶呈现悬臂梁状态。老顶形成的悬臂梁一端支撑在直接顶垮落后的碎矸石上，另一端支撑在支架和煤壁上方的直接顶上，并形成载荷Ｑ２．老曩幽２一ｌ液压支架载荷示意图Ｆｉｇ２－１Ｄｉｇｒａｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｌｏａｄ液压支架的结构和液压支架系统必须保证液压支架具有完全适应项板变化的性能。采煤机采过一个截深之后，支架前移一个步距，支护新暴露出来的顶板，此时，顶板尚无下沉现象，支架以初撑力支撑顶板。此后，顶板开始破碎和下沉或断裂，支架载荷加大，直至立柱下腔压力达到安全阀定值，安全阀释放，立柱下缩，称此现象为液压支架的“让压”现象。这时立柱以工作阻力支护顶板。７西安理工大学工程硕士学位论文山上述液压支架工作状态可知，支架承受的外载荷是项板下沉形成的。在顶板下沉的过程中，支架的项粱与顶板有相对滑动现象，支架不仅承受有垂直于顶梁的力，还承受平行于项梁的摩擦力，而所有这些力，都靠液压支架的立柱压力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板的反作用力。由ｆ＝面的分析可以看出．液压支架的外力主要有顶板下沉引起的垂直于顶梁的力、顶梁与顶板相对滑动引起的摩擦力和底板对底座的支撑反力。由于煤层地质条件复杂多变，导致支架在工作过程中的外载状态的不确定和复杂多变，造成了支架在工作过程中的承载状态的复杂性和不确定性，难以精确测定外载荷的大小，增加了液压支架结构设计的难度。２．２液压支架外载荷特征有上述分析可知，液压支架主要外载荷是顶梁和顶板、底座和底板之间的作用力，但是由于煤层的地质条件比较复杂，项梁和顶板、底座和底板之间的接触状态不能确定，总结我国矿压的研究成果及对液压支架损坏情况的分析，对支架影响比较大的外载荷状态主要分为对称集中载荷和非对称集中载荷”１。２．２．１顶梁外载荷特征分析在液压支架工作中，顶梁是主要的承载部件，对液压支架进行设计和分析时需要对项梁的各种受载状态热潮进行分析。在综采工作面中，由于顶板的起伏不定和矸石的存在，项梁一般所承受的恶劣工作状态分为四种情况。１．顶梁中部承受集中载荷在顶板岩层较硬的放顶煤工作面，如果顶板起伏不平，且支架顶梁上有浮矸存在时，将造成液压支架顶梁与顶板之间单点接触或单线接触，使得支架的受载状态十分恶劣，如图２－２所示。图２－２顶粱中部承受集中载荷Ｆｉｇ２－２Ｉｎｔｅｒｓｉｔｙｌｏａｄｏｉｌｍｉｄｄｌｅｏｆｒｏｏｆ’ｇｎｄｅｒ２．顶梁两端承受集中载荷放顶煤工作面项板破碎程度较高，岩体为弱面分割的裂隙体，在采煤过程中，由于弱面的存在，容易出现冒顶或分层冒落，支架顶梁与顶板出现两点或两线接触形式，如图２液压支架栽荷分布和试验标准２—３．由于有强大的集中载荷作用在项梁两端，导致顶梁受力状念比较恶劣。图２－３顶粱两端集中受载Ｆｉ９２－３ＩｎｔｅｒｓｉｔｙｌｏａｄＯｎｄｏｕｂｌｅｓｉｄｅｏｆｒｏｏｆｇｎｄｅｒ３．顶梁单侧受载在煤层赋存不稳定，煤层厚度变化大，煤层倾角大，顶板不稳定的放顶煤工作面，常常造成液压支架顶梁与顶板之间的不对称接触，使得液压支架承受恶劣的非对称载荷，如图２—４所示。此时液压支架将受到对称的纵向载荷以及扭转载荷的共同作用，极易造成液压支架项梁和掩护梁结构的破坏。图２—４为液压支架在倾斜煤层顶板不平处承受偏载的状态。图２－４顶粱单侧受载Ｆｉｇ．２－４Ｉｎｔｅｒｓｉｔｙｌｏａｄ０１１ｓｉｎｇｌｅｓｉｄｅｏｆｒｏｏｆｇｎｄｅｒ４．顶梁承受扭转载荷由于顶板起伏不平，支架上方经常存在浮矸，加上在工作面的正常推进中，支架的顺序移架使顶梁上方顶板的垮落趋向总是朝向自由面大的一侧，从而造成液压支架的偏载，其结果使顶梁及掩护梁受扭，此时支架的受力形式如图２．５所示【９】。９西安理工大学工程硕士学位论文◇够图２－５顶粱受扭转作用Ｆｉｇ．２－５Ｔｏｒｍｅｏｎｒｏｏｆ鲥ｄ日２．２．２底座外载荷特征分析底座也是液压支架的主要承载部件，因此对底座的外载荷特征也需要进行分析研究。底座所受到的外载荷主要是底板对底座的反作用力，其外载荷的大小主要取决于顶板对项梁的压力，分布状态取决于底座和底板的接触状态。根据液压支架损坏情况的研究，底座所承受的最恶劣的情况和顶梁一样，分为三种：底座两端集中载荷、底座单侧受载、底座受扭转载荷。受力作用图和顶梁相应的受力图类似。２．３液压支架试验标准液压支架是综采工作面的关键设备，对安全生产起到至关重要的作用。为保证液压支架的强度，各个国家根据本国的实际情况，都对本国的液压支架的设计和试验制定了相应的标准，通常规定在一种新型号的液压支架投入使用之前．必须通过国家指定的专门机构对其实行的型式试验取得技术认证报告。我国在借鉴国外经验并总结国内支架设计经验的基础上，结合我国国情，制定了一系列行业标准，主要有《中华人民共和国煤炭行业标准及液压支架设计规范》（１ｆｒ／Ｔ５５６１１９９６）《液压技术通用技术条件》（ＭＴ３１２—２０００）、‘放顶煤液压支架技术条件》（町／Ｔ８１５／１９９９）、《液压支架产品质量分等》（ＭＴ／Ｔ４１７一１９９５）、‘液压支架型式与参数》（ＭＴ／Ｔ１９６—１９９６）等系列标准１１ｅ］［ｉｉＪ。上述标准的制定和实施有力的促进了我国液压支架技术的发展和产品质量的提高，为保证煤矿的安全生产起了重要的作用。目前我国已经成为世界上制定支架标准最多最全的国家之一。在液压支架的这些标准中，主要规定了液压支架设计中一些设计参数（如安全系数等）的选择、通用技术要求、试验方法、检验规格、标志等。２．４本章小结通过对液压支架外载荷的分析，研究了顶梁和底座的几种外载荷特征，并根据《液压技术通用技术条件》，总结了容易导致液压支架损坏的载荷工况，为后面液压支架强度和可靠性分析提供了依据。１０３液压支架有限元三维模型的建立３．液压支架有限元三维模型的建立有限元分析是进行科学计算的极为重要有效的方法之一，利用有限元分析可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就工程设计进行各种评判。就各种工程事故进行技术分析。３．１有限元法概述和基本概念有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。有限元方法是２０世纪４０年代，为了精确的设计、计算和解决工程实际问题而发展起来的。有限元分析的力学基础是弹性力学，而方程求解的原理是采用加权残值法或者泛函极值原理，实现的方法是数值离散技术，最后的技术载体是有限元分析软件．有限元法的基本思想是将一个连续的求解区域离散为一组有限的单元，并按一定的方式相互连接在一起的集合体，即用一个有限的单元的集合体来代替几何形状相同或近似相同的连续求解区域，而且单元之间只通过点连接起来，这些点称为节点。不同的几何形状可以采用不同的单元来离散，但是任何单元都是通过节点连接在一起，通过节点传递应变和应力，所以，任何有限元方法都是通过节点的应力应变关系建立方程，利用加权残值法等数学方法求解，之后根据不同单元的内在的数学方程来求解单元内部的应力应变，从而获得整个几何形状的应力应变“”。有限元法的基本思路和做法：１．物体离散化将工程结构离散为由各种单元组成的计算模型。离散后的单元与单元之间通过节点连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况下单元划分的越细则描述变形情况越精确，但计算量越大）．有限元中分析的结构已不是原有的物体或者结构物，而是众多的不同材料的单元以一定方式连接而成的离散物体。２．单元特性分析在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时，称为位移法：选择节点力作为基本未知量时，称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时，称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构离散化之后，就可把单元的一些物理量（如应力和应变）用节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数来描述。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移关系，这是单元分析的关键一步。再利用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力与位移的方程式，导出单元刚度矩阵。物体离散化以后，力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是对于实际的连续ｌｌ西安理工大学工程硕士学位论文体．力是从单元的公共边传递到另一个单元中去。因此．作用在单元边界上的表面力，体积力和集中力都需要等效移到节点上，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。３．单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程式。４．求解未知节点位移解有限元方程式，得出位移。在有限元分析中，最重要的过程就是几何体的离散过程。在离散过程中，首先需要确定离散所使用的单元类型，不同的工程问题需要使用不同的单元进行离散，选用不合适的单元就会导致分析结果的不准确，甚至导致无法进行分析。在有限元分析中，有限元软件都提供了大量的单元类型来模拟分析对象。经常使用的单元有：线单元、平面单元和体单元。线单元又称之为一维单元，是表示杆和梁的性质。其中杆单元支持拉、压和轴向旋转，但不包括弯曲：梁单元则包括了弯曲。面单元也称之为二维单元，用来表示厚度方向尺寸远小于其它方向尺寸的结构．从单元形状上分为三角形单元和四边形单元。体单元称之为三维单元，主要用于离散厚板和体之类的几何模型。从形状上分为四面体单元、五面体单元和六面体单元，常用的是四面体单元和六面体单元，但六面体单元的单元特性比其它单元的单元特性要好得多“…。另外，还常用的单元有约束单元，如刚性单元等。结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，结构静力分析是用来求解不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或者部件上引起的位移、应力和应力的，一般分为结构线性分析、结构非线性分析。结构线性分析就是假定结构内部材料应力应变关系的本构方程是线性的；描述应变和位移之间关系的几何形状是线性的；建立于变形前状态的有限元法平衡方程是线性的：结构的边界条件是线性的。结构线性分析是最基本的结构分析。在实际工程问题中，经常不能同时满足结构线性分析的条件，因此进行结构线性分析常常需要对分析的工程问题进行合理的简化，在满足线性分析的要求后才可进行线性分析。结构非线性包括几何非线性，材料的非线性，边界条件的非线性．它们会导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。一般结构的非线性分析包括大变形、塑性、蠕变，应力刚化、接触（问隙）单元和超弹性单元等。非线性结构的求解不能直接用一系列的线性方程表示，需要一系列的带校正的线性近似逼近来求解非线性问题。近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量，可以在几个载荷步或者一个载荷步的几个子步上施加载荷增量。在一个载荷增量求解完成之后，继１２３液压支架有限元三维模型的建立续下一个载荷增量之Ｉ；ｉ『，程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。但是，纯粹的载荷增量近似容易引起积累误差，导致结果最终失去平衡。因此，通常使用牛顿一拉普森平衡迭代，迫使每一个载荷增量在末端达到平衡收敛。每次求解Ｉｉ｛『，ＮＲ（牛顿一拉普森）方法估算出残值矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值．然后使用非平衡载荷进行线性求解，且检查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解，持续这种迭代过程直到问题收敛””。１．几何的非线性结构的整个刚度依赖于每个组件（单元）的朝向和刚度，随单元节点发生的位移，单元对整个刚度的贡献有很多方式。由于几何变形导致刚度的改变称为几何非线性，主要包括大应变、大挠度、应力刚化等。２．材料的非线性材料的非线性是指许多与材料有关的参数可以使刚度在分析期间改变。塑性、非线性弹性、超弹性材料、混凝土材料的非线性应力—应变关系．可以使结构刚度在不同的载荷水平下（以及在不同的温度下）改变。３．边界条件的非线性边界条件的非线性是指在分析过程中由于边界条件随着载荷一时间的关系而发生变化，导致了刚度的改变。其中，最典型的就是接触分析。接触是一类常见的物理现象，是常见的几何非线性问题。在有限元分析中，接触条件是一类特殊的不连续约束，它允许力从模型的一部分传递到另一部分，只有当两个表面接触时才会产生约束条件，而当两个面分开时就不存在约束作用了，所以这种约束是不连续的。典型的应用包括：动态冲击、螺栓连接、部件装配、只压边界等．３．２有限元分析的一般步骤对于工程实际问题的有限元分析一般分为几个步骤：制定分析方案，前处理，施加载荷与求解，后处理“”。在分析前制定分析方案是很重要的一个环节，它需要考虑的内容有分析领域、分析目标、线性月Ｅ线性问题、静力／动力问题、单元类型、网格密度、单位制、载荷等分析的各个方面。分析方案制定的好坏直接影响了分析的精度和成本。前处理的主要任务是定义单元类型、划分网格、建立结构分析的有限元模型。施加载荷和求解主要是定义边界条件、求解约束方程。后处理主要是对分析结果数据进行处理，通过不同的方法显示分析结果。有限元软件分析的具体步骤：１．制定分析方案根据工程实际问题，确定分析类型，选择合适的分析软件。西安理工大学工程硕士学位论文２．创建或读入特征模型在有限元软件中创建特征模型有两种方法：一种是从ＣＡＤ软件中读入特征模型，划分网格，创建有限元模型：另一种是在有限元软件中直接建立有限元模型。这两种方法各有所长，第一种是利用ＣＡＤ软件的强大的建模功能，快速的建立分析对象的特征模型。但是，它在导入有限元软件中存在数据流失的问题，导入到有限元分析软件后经常要进行几何修补；第二种方法可以避免ｌ；ｉ『一种方法的缺点，但目前的有限元分析软件的建模功能比较薄弱，在其中直接建立复杂的有限元分析模型或者实体模型，消耗的时『日Ｊ太长，并且有的模型无法建立。因此，建立有限元分析模型时，要根据分析对象的特点，选用合适的创建方法。３．定义材料属性有限元分析时，需要对不同的材料进行不同的模拟，因此需要对单元的材料属性进行定义，以区分不同的材料。４．划分网格网格划分是有限元分析的一个重要的步骤。网格的类型和质量直接关系到有限元分析结果的精度。网格划分首先要根据分析的目标和工程实际经验选择单元形状模拟分析对象，再确定单元的密度分布，最后使用软件划分网格，生成单元和节点．５．定义边界条件对生成的有限元模型定义载荷和约束。６．求解根据分析类型，选择求解器进行计算。７．后处理对计算的结果进行分析．把分析结果通过应力云图、应变云图、变形曲线等各种不同的方式表示出来。３．３常用的有限元软件有限元分析软件通常可分为通用软件和行业专用软件。从功能上可以划分为求解器软件和前后处理软件。从应用方向和领域上又可以分为主要面向结构领域的ＦＥＡ软件和面向流体力学领域的ＣＦＤ软件，以及多物理场耦合分析软件。目前，有限元分析软件众多，在国际上被认可的软件主要包括：美国ＭＳＣ公司的ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ、ＭＳＣ．Ｍａｒｃ，美国ＡＮＳＹＳ公司的ＡＮＳＹＳ，美国ＬＳＴＣ公司ＬＳ—ＤＹＮＡ，美国ＮＥＩ公司的ＮＥ／Ｎａｓｔｒａｎ，比利时ＳａｍＴｅｃｈ公司的Ｓａｍｃｅｆ，美国ＨＳＫ公司的ＡＢＡＱＵＳ，美国ｕＧ公司的Ｉ—ＤＥＡＳ，美国ＡＩｔａｉｒ公司的ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ等。这些软件都有自己的特长，在行业内，一般把它们分为线性分析软件、一般非线性分析软件和显式高度非线性分析软件。对于不同的工程问题，需要选择合适的分析软件。１４３液压支架有限元三维模型的建立常用有限元分析软件：１．ＦＥＰＧＦＥＰＧ是北京飞箭公司推出的一款国产有限元分析软件。ＦＥＰＧ适用于求解各种领域的各种工程与科学的有限元问题，突破了目前通用有限元程序只用于特定领域和特定问题的。广泛应用于石油化工，机械制造．能源，汽车交通，铁道，国防军工，电子，土木工程，造船，生物医学，轻工，地矿，水利，航空航天，日用家电等工业部门。２．Ａ队ＱＵＳＡＢＡＱＵＳ是美国ＨＳＫ公司的产品，是国际上最先进的通用有限元计算分析软件之一。特别是它的非线性分析功能具有世界领先水平，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题．３．ＡＬＧＯＲＡＬＧＯＲ是美国ＡＬＧＯＲ公司的一套大型通用工程仿真软件，被广泛应用于各个行业的设计、有限元分析、机械运动仿真中，包括静力、动力、流体、热传导、电磁场、管道工艺流程设计等。目前，ＡＬＧＯＲ已推出了中文界面的版本。４．ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ是在美国联邦航空管理局（ＦＡＡ）的工业标准的源代码程序，其分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，能有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、声学和噪声学、流体一结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。５．ＬＳ—ＤｙＮＡＬＳ—ＤＹＮＡ是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。６．矗ＮＳＹＳＡＮＳＹＳ软件是大型通用有限元软件，是集结构、热、流体、电磁、声学、耦合分析为一体的软件。它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ＡＮＳＹＳ开发，它能与多数ＣＡＤ软件接口，实现数据的共享和交换，如Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ＮＡＳＴＲＡＮ，Ｉ—ＤＥＡＳ，ＡｕｔｏＣＡＤ等，是现代产品设计中的高级ＣＡＥ工具之一。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ＡＷＥ）是ＡＮＳＹＳ公司新近开发的新一代前后处理环境，ＡＷＥ通过独特的插件构架与ＣＡＤ系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的ＣＡＤ几何导入成功率，当ＣＡＤ模型变化时，不需对所篪加的载荷和支撑重新施加；ＡＷＥ与ＣＡＤ系统的双向相关性还意味着可通过ＡＷＥ的参数管理器可方便地控制ＣＡＤ模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。ＡＷＥ在分析软件中率先引入参数化技术，可同时控制ＣＡＤ几何参数和材料、力方向、温度等分析参数，使得ＡＷＥ与多种ＣＡＤ软件具有真正的双向相关性，通过交互式的参数管理器可方便地输入多种１５西安理工大学工程硕士学位论吏设计方案，并将相关参数自动传回ＣＡＤ软件，自动修改几何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型即可自动无缝地返回ＡＷＥ中。ＡＷＥ的智能化网格划分能生成形状特性较好的单元，以保证网格的高质量，尽可能提高分析精度。此外，ＡＷＥ还能实现智能化的载荷和边界条件的自动处理，根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。本文将采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件进行液压支架强度分析。３．４液压支架三维模型的建立随着科技的发展，单一使用二维ＣＡＤ技术进行液压支架设计已不能满足现代设计的需求．利用三维软件建立支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观的显示出来，给设计和制作带来很大益处。尤其在进行有限元分析时，其自带的建模模块建立复杂的模型很不方便，选用专业的三维软件则需要考虑接口问题。３．６．１支架三维实体建模软件的选用现阶段比较有代表性、应用广泛的三维ＣＡＤ软件有：美国ＰＴＣ公司的Ｐｒｏ／Ｅ、ＤＲＣ公司的Ｉ－ＤＥＡＳ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ公司的ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、即ｓ公司的ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ、北航海尔的ＣＡＸＡ．１、Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ系统是美国参数技术公司（ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ简称ＰＴＣ）的产品，它刚一面世（１９８８年），就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎，随后各大ＣＡＤ／ＣＡＭ公司也纷纷推出了基于约束的参数化造型模块。此外，Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ一开始就建立在工作站上，使系立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起，它一共有２０多个模块供用户选择，Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统。其工程图模块可以将零件环境、装配环境中生成的各类零件、装配件等实体进行投影，生成符合制图标准的二维工程图，极大地方便了液压支架零部件的设计，且其能与ＡＮＳＹＳ软件无缝结合，方便的导入到ＡＮＳＹＳ软件中去，以此确定Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件来进行液压支架三维实体的建模。２、支架部件三维实体模型的建立液压支架三维实体模型的建立应采用自上而下的方法，即先在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的零件环境中通过特征造型来生成支架的所有部件模型，然后在装配环境中按装配关系逐个进行支架部件的装配。这种建模方法的优点是：支架各部件模型的设计是的，其重建、修改方法很简单，与其它部件不存在相互关联。特征是几何体的参数化表示。创建支架部件三维实体模型，首先需要创建部件的特征。在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的零件模块中，特征命令非常多，通过特征操作简单灵活，同时便１６３液压支架有限元三维模型的建立于修改，可以生成任何复杂的零件。第一个创建的特征称为基础特征，只能用拉伸命令来创建。支架部件其它特征是在基础特征上添加所需特征而形成的，如果删除基础特征，其它特征会同时被删除。将支架部件建模的方法和技巧归纳如下；１）根据Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件的特点及要求，对支架各部件形体进行正确分析。例如在建模造型前，对底座进行形体分析，将复杂的底座分解为若干个简单的筋板和弯板，确定筋板的形状和它们之间的相对位置，确定哪些是主要形体，哪些是次要形体．２）确定并创建支架各部件的基础特征。基础特征是第一个创建的特征，用拉伸命令创建。基础特征一般部件比较大，且是最主要的特征。ＺＦ８５００／２ｌ／４０Ｙｏ型支架底座的基础特征为左内主筋，掩护梁体的基础特征为左边主筋，顶梁体的基础特征为左边主筋，前梁的基础特征为右主筋，均通过拉伸命令束创建。基础特征的创建基本决定了其它特征的创建顺序。正确选定和创建支架的基础特征对支架所有部件的建模起决定性作用，将直接影响设计效率以及后续对部件的修改，如果创建不当可能使支架部件的建模事倍功半。３）创建支架部件其它主要特征。先创建增料特征，除料特征是在大部分增料特征创建完成后集中创建。同轴回转体尽量使用旋转拉伸命令创建。如果包含有抽壳特征，注意抽壳命令应该在需抽壳的形体创建好后及时执行。４）创建支架部件的次要特征。支架部件上的小孔、螺纹孔、倒圆、倒角、肋板等为次要特征。应该在主要形体生成后创建，并尽量利用阵列、镜像、特征复制等命令．５）尽量利用零件环境中的三个主参考面为基准面、对称面，以方便操作。６）对称的零件建模，只需创建一半，再利用镜像命令生成另一半零件模型。图３—１、图３—２、图３—３是利用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ设计的ｚＦ８５００／２１／４０ＹＤ型液压支架底座、掩护梁、顶梁的三维实体模型，它们不仅直观地放映设计者的意图，而且提高了设计效率和设计质量，并且在生产组织中可以使工人快速熟悉该部件，减少失误。１７１８西安理工大学工程硕士学位论文图３，ｌ底座Ｆｉｇ．３－ＩＢａｓｅ图３－２掩护粱Ｆｉｇ．３－２Ｓｈｉｅｌｄｇｎｄｅｒ３凌压支架有限元三维模型的建立图３－３顶粱Ｆｉｇ．３－３Ｒｏｏｆｇｒｉｄｅｒ综上所述，支架各部件三维实体模型创建过程可归纳为图３－４所示的流程：图３．４支架部件的建模流程Ｆｉｇ．３－４Ｍｏｄｄｌｅｂｕｉｌｄｉｎｇｇｒａｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ３、支架三维实体模型的装配创建完支架所有部件模型后，开始对支架进行装配。在装配环境中调入底座作为支架模型的基准部件，系统自动对它施加固定关系，通过面匹配、面对齐、轴对齐，联接、角度等装配关系，将后续调入的支架前连杆、左后连杆、右后连杆、掩护梁等部件与底座依次进行装配。装配时，支架前连杆耳板与底座耳板之间面匹配（偏移量为５ｍｍ）和轴对齐：左、右后连杆与底座面匹配（偏移量为５ｈｅｎ）和轴对齐；左后连杆和右后连杆之间轴对齐；西安理工大学工程硕士学位论文掩护梁体和右后连杆轴对齐、面匹配（偏移量为５ｍｍ）；顶梁体和掩护梁体之间轴对齐、面匹配（偏移量为５ｍｍ）。为了使顶梁的活动侧护板在运动仿真中可相对顶梁体运动，必须把顶梁体和顶梁活动侧护板分别调入支架的装配环境中，通过两个轴对齐、一个面匹配进行装配，而不能先在装配环境中把它们装配成顶梁组件，否则顶梁体和活动侧护板将被作为一个整体部件来处理，不利于后续对该支架模型进行完整的运动仿真。掩护梁体与掩护梁侧护板的装配方法与顶梁类似。下面装配在支架实体模型运动仿真中要设定速度的双伸缩立柱和短柱。双伸缩立柱外缸体和底座柱窝之间通过连接关系进行装配，外缸体和中缸体之间轴对齐，中缸体与活柱体轴对齐，活柱体和支架顶梁柱帽之间用球连接关系进行装配，这样支架顶梁与底座之间的双伸缩立柱就装配好了。前梁和顶粱之问的短柱，其缸体和顶梁耳板轴对齐、面匹配：活柱和前梁短柱帽轴对齐；活柱和缸体轴对齐。至此就完成了ＺＦ８５００／２ｌ／４０ＹＤ型液压支架三维实体模型的装配，其装配结果如图３—５所示。图３－５ＺＦ８５００１２１／４０ＹＤ型液压支架三维实体模世Ｆｉｇ．３－５ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＺＦ８５００／２１／４０ＹＤ在缺省情况下，系统对装配的所有零件统一分配相同颜色和材质，但实际上支架不同的零件使用不同的材质，故可利用系统给支架的每个零件分配不同的颜色和材质，进行渲染后，能达到很逼真的效果。３液压支架有限元三维模型的建立根据以上过程可将支架三维实体模型装配的基本流程归纳如下：１）在装配环境下，调入支架底座到工作区中，作为要装配的支架实体模型的基础哿件，系统对底座自动添加一个固定装配关系。２）根据装配关系，逐个调入支架实体模型的其它部件，并根据调入的部件与当莳支架装配件上其它部件之间的装配关系，选择相应的装配命令进行装配。３）完成支架所有部件的装配后，进行干涉检查，确认无误后，保存文件。为了保证支架设计质量．在制造样机之前对设计的支架进行虚拟样机干涉检查，使支架设计的出错率降到最低。干涉检查是检查支架装配件中的任意两个部件在空间上是否有重叠，检查出干涉后，分析产生干涉的原因，井对支架相关干涉的部件进行必要的编辑和修改，然后再次对支架进行干涉检查。在进行干涉检查时，发生干涉部位会加亮表示，可以很容易的发现．在支架装配过程中，可以根据需要在装配环境中随时进行新零件的设计，新设计的支架零件在形状和尺寸上可以与已有的零件或部件保持相关和协调，可以对已装配的支架部件进行修改和编辑，也可以在单独的零件环境中对零件进行修改，修改后装配件中的对应零件会自动更新。４、支架三维实体模型运动仿真设定ｚＦ８５００／２１／４０ＹＤ型液压支架底座为静止部件，项梁体、掩护梁体、活动侧护板、左后连杆、右后连杆、前梁、前连杆用销轴做销钉连接，立柱与柱窝做球连接，立柱缸体和活塞杆傲滑动杆连接。根据支架双伸缩立柱的缸体直径、行程、供液流量，可计算出立柱中缸体在运动仿真中的速度。将该速度赋予立柱活塞杆，并将项粱加一水平约束。至此，就在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ环境中完成了ＺＦ８５００／２１／４０ＹＤ型液压支架的运动仿真设计。支架三维实体模型运动仿真结果可以用来生成移动组件的动画，清晰直观地显示出支架关键点的运动轨迹，也可用来检查支架部件在整个仿真运动过程中的干涉情况“”。其产生的三维模型在方案设计中可以发挥很大的作用，能开拓设计人员的思路，因其直观的便利，使非专业的人员也可加入进来，在销售工作中也可以做逼真的演示，提高其方案的说服力。利用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件建立的液压支架三维实体模型，可以调入与其兼容性比较好的有限元软件环境中作更进一步的运动和强度分析。提高支架设计的可靠性。Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ三维机械设计ＣＡＤ软件的使用。大幅度缩短了综采液压支架的设计周期，提高了支架的设计效率和设计质量，使支架的设计更趋完美。同时，也有利于发挥设计人员的技术创新能力，为设计人员更新设计观念和推广先进的工程设计手段做了有效的尝试．２１西安理工大学工程硕士学位论文３．５本章小结对主流的三维设计软件和有限元分析软件进行了简要的介绍，并根据具体的情况进行了选择。本章还对三维模型的建立进行了研究，特别注意了数据接口问题为下一章的有限元分析作好准备工作。４液压支架的有限元强度分析４．液压支架的有限元强度分析本章在对ＺＦ８５００／２１／４０ＹＤ型液压支架结构和受力分析的基础上对其进行简化，使用ＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ进行网格划分和接触面处理，并进行静强度分析，通过对强度求解结果（应力和变形云图）进行分析，对液压支架的受力情况有一个了解，依此对其设计进行改进，并为以后液压支架的设计流程提供比较好的参考。４．１ＺＦ８５００１２１，．∞ＹＤ型两柱掩护式放顶煤液压支架４．１．１液压支架的参数飞——ＩＪ一。五飙一』…一蛾刊ｒ＿二＝爿矿串・Ｉ—ｒ－Ｉ１１旺＃三连｝＿：！｝二二二。一‘Ｉ－１＝Ｉ１］三Ｕ图４－ｌ液压支架示意图Ｆｉｇ．４－１Ｆｉｇｕｒｅｏｇｈｙａ，ａＩＩｄｉｃ胡甲ｐｏｎ液压支架的主要技术参数：型式：两柱掩护式低位放顶煤支架整体顶梁带伸缩梁及护帮板２１００‘４０００ｍ１１６２０’１８５０ｍｍ顶梁型式高度：宽度：中心距：初撑力：（Ｐ＝３１．５ＭＰａ）１７５０咖６３５２’６４８９ｋＮ工作阻力：（Ｉ）＝－４１．８ＭＰａ）支护强度：底板前端比压：适应采高：８４２９￣８６１ｌｋＮ０．９１’０．９５ＭＰａ２．７８’３．２８ＭＰ３．ｏ￣３．８ｍ西安理工大学＿Ｔ－秘Ｊｆ－＇Ｊ：学位论文适应煤层倾角＜２０泵站压力：操纵方式：ｋＮ３１．５Ｍｐａ电液控制４．１．２液压支架的结构１．护帮装置护帮装置由护帮板、护帮千斤项、小四连杆及其相关件组成。其作用包括：利用小四连杆机构，实现护帮板挑起和收平，使其具有挑顶、及时护顶和护帮的双重功能。２．前梁机构前粱机构由回转前粱、前梁千斤顶及其相关件组成。其作用包括：使支架四根立柱受载比较均匀，以提高项梁的接顶性能，调节顶梁合力作用点的位置；使前梁适应顶板的起浮变化，必要时还可吊装采煤设备。３．顶梁顶梁直接与顶板接触，支撑顶板，是支架的主要承载部件之一。其主要作用包括：承接顶板岩石及煤的载荷：反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用：为回采工作面提供足够的安全空间；４．掩护梁掩护梁上部与顶梁铰接，下部与前后连杆相连，经前后连杆与底座连为一个整体，是支架的主要连接和掩护部件，其主要作用包括：承受顶板给与的水平分力和侧向力，增加支架的抗扭性能；掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证梁端距变化不大。阻挡后部顶煤及矸石前串，维护工作空间；５．底座底座是将项板压力传递到底板和稳定支架的部件，除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板起伏不平的适应能力要强，对底板接触比压要小，其主要作用包括：为立柱、液压控制装置、推移装置及其他辅助装置形成安装空间；为工作人员创造良好的工作环境；具有一定的排矸、挡矸作用：保证了支架的稳定性。６．前、后连杆前、后连杆上下分别与掩护梁与底座铰接，共同形成四连杆机构，其主要作用包括：使支架在调高范围内，顶梁前端与煤壁的距离（梁端距）变化尽可能小，更好地支护顶板；承受项板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。７．尾梁尾梁上部与掩护梁铰接，由两个尾梁千斤顶支撑，支架前移后垮落的顶煤及顶板直接作用到尾梁上，尾梁是支架掩护后部和实现放顶煤的关键部件，其主要作用包括：支撑松动的顶煤及顶板岩石，维护良好的工作空间：尾梁的上下摆动可以控制后部放煤，为实现放项煤创造条件。４浚压支架的有艰元强度分析８．插板用千斤顶与尾梁相连，处于尾梁内部，是实现放顶煤的直接部件，其主要作用有：收回插板实现放顶煤；伸出插板阻挡矸石进入后部运输机。９．推移机构支架的推移机构包括：推移杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机和拉架。４．２液压支架载荷工况的确定液压支架的主要任务是用来管理顶、底板，控制工作面及采空区岩层的活动，并为采煤工作蟊的人员和设备提供一个安全可靠的作业空何。在工作中，液压支架主要承受国岩的压力、地面的支撑力以及立柱的支撑力。围岩对液压支架压力的不确定性、围岩和液压支架接触位置和面积的不确定性、底座与地面的接触位置和面积的不确定性，各个国家根据自己国家的实际情况制定了不同的液压支架试验标准“”。本文结合我国和德国的液压支架试验标准，确定支架的实验高度并选择三种载荷工况进行分析。理论分析和实验数据表明，液压支架强度实验的几种加载方式中，以顶梁扭转、顶梁偏载、和底座扭转工况最为恶劣，应力最大，为减少工作量，选取上述３种工况组合为模拟实验工况。Ｌ为了检验顶梁的屈服变形和底座在最大扭力下的强度，给顶梁添加偏载约束，底座添加扭转约束。２，为了检验前后、连杆的强度，给顶梁添加偏载约束，底座两端添加约束。３．为了检验顶梁的最大弯曲和扭力下的强度，顶梁添加扭转约束，底座两端添加约束。根据我国‘液压技术通用技术条件》（１盯３１２—２０００）对液压支架进行强度试验的要求，对顶粱偏载试验时，支架高度为支架最低高度加３００ｒ嘲，因此，在对载荷进行分析时，支架高度统一定为２４００ｍ．４．３制定分析方案４．３．１液压支架的模型简化液压支架是由多个部件组成，在对整体进行有限元分析时，部分组件对于液压支架整体强度的影响不大，因此在分析过程中为简化分析模型，保证主要部件分析结果的准确性，只考虑液压支架的主要组成部件。因此，该分析的液压支架模型由顶粱、掩护梁、底座、前连杆、后连杆和立柱组成。由于支架梁体为焊接的箱型结构，焊缝的质量直接影响着构件的强度，在以往的型式西安理工大学工程硕士学位论文检验及实际使用过程中，焊缝丌裂而导致的支架损坏占较大比例“…。但是在焊缝质量能够得到保证的情况Ｆ，根据焊接的工艺要对钢板之『自Ｊ的焊接强度和焊缝融深要求，焊缝强度一般都不低于母材的强度，并且液压支架工作时，它们之『白Ｊ没有相互的运动，形成一个整体。因此在分析过程中，不考虑焊缝的影响，建模时直接把各个梁体作为一个整体。４．３．２装配关系的处理整体进行强度有限元分析时，正确处理各个部件之间、各个部件中各个钢板之间的关系是至关重要的。对销轴连接来说，一般分为两种方法处理：１．建立销轴模型，傲接触分析液压支架结构中，顶梁、掩护梁、底座、前连杆、后连杆等是通过销轴连接在一起，销轴和销孔的接触面积和接触位置随着液压支架载荷大小的变化而变化，是典型的边界非线性。用接触来模拟销轴和销孔在分析过程的受力情况，接近实际情况。接触分析是将液压支架的载荷分成一系列的载荷增量，通过几个载荷步或者一个载荷步的几个子步旌加载荷增量，一步求解完成之后在进行下一步的求解，最后计算出液压支架的受力情况。这样存在一个问题：液压支架尺寸较大，零部件比较多，且多是钢板焊接而成，长宽方向与厚度方向尺寸比例比较大，因此划分的单元数目大，进行接触分析，计算量非常大，对硬件的要求比较高，且容易导致计算的不收敛。但划分较少的单元个数，会导致整个分析结果的精度比较差。２．简化分析模型，利用粱单元模拟销轴连接模拟销轴连接还有一种比较简单的方法：不建立销轴模型，在各个梁单元的销孔截面上建立刚体，通过梁单元把对应的刚体连接起来，模拟销轴，在各个梁体之间传递力。这种方法把非线性问题线性化，运算速度较快，但对销孔位置的计算不精确。上面两种方法各有利弊，但随着计算机计算能力的提高，计算能力已不是主要的问题，且经过研究可将支架的每一部件作成一个整体，既将掩护梁、顶梁、连杆、底座在建模时作成一个零件，并用销轴进行装配，可将计算量大大减少。因此，本文采用第一种办法来模拟销轴的连接，且ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ可自动进行接触面的定义，可大大减少人工定义，节省计算准备时间和减少错误，并得到比较精确的结果。４．４有限元分析４．４．１建立有限元模型有限元模型的建立过程包括：从物理模型（实际结构）到计算模型的简化和特征的提取，该过程称为特征建模；然后是有限元的分析模型，即在有限元分析平台上的计算分析模型。在建立特征模型前，根据前面的分析，本文只建立项梁、掩护梁、底座、前连杆、后４液压支架的有限元强度分析连杆的特征模型，并且各个部件是一个整体．模型装配在ＰＲＯＥ环境中进行，各部件均采用销轴连接方式处理，并调好整模型高度，为下一步有限元分析提供条件。模型建立后可用ＰＲＯＥ和ＡＮＳＹＳ的软件接口自动将模型导入ＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ．然后用其自带的网格划分工具自动进行网格划分，如模型建立的比较好的话，基本不用修改即可成功进行网格的划分。如图４－２所示，共划分单元８９３０８，节点１７５６２４。为了检验该支架在不同工作情况下的受力情况，根据前面的液压支架试验标准，选用图４之液压支架有限元模型Ｆｉｇ．４－２Ｈｙｄｒａｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ以下三种情况对该液压支架进行强度有限元分析。对液压支架的有限元模型施加载荷和约束。分为三种边界条件：底座受扭转载荷，顶梁偏载；底座受扭转载荷，顶粱扭转：底座受集中载荷，顶梁偏载。在三种边界情况下，均在底座和项梁柱窝上加载４２５０ｋＮ的压力，同其工作阻力相当。４．４．２底座扭转、顶梁偏载有限元分析１．加载方式底座扭转、项梁偏载主要是为了测试顶梁的屈服变形和底座的最大扭力时液压支架的２７西安理工大擘工程硕士学位论度。约束方式是项梁添加偏载约束，底座添加扭转约束，如图４－３所示，虚线部分为加载（约束）部位。Ｉ囫季易乏图４．３加载方式Ｆｉｇ．４－３Ｌｏａｄｍｅｔｈｏｄ图４—４是液压支架的整体应力云图。从图中可以看出，整个液压支架的最大应力是６３１ｌｌ【Ｐａ，在顶梁和底座上的应力比较大．图４．４液压支架整体ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－４ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔ２．顶梁结果分析在顶梁承受偏载的情况下，主要是测试顶梁的屈服变形。从图４－５和图４—６可以看出，４液压支架的有限元强度分析顶梁在承受偏载的情况下，顶梁的应力主要分布在右侧柱窝附近和项梁的中间的筋板上。而在顶梁左侧的柱窝附近应力并不是很大。从图４—５中可以看出，去除应力集中后，项板的应力并不是最大的：从图４—５还可以看出，中问盖板和销轴孔附近的应力也比较大。图４．５项梁ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－５ＶｏｎＭｉｓｔｓＳ嗽ＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＲｏｏｆＣ，ｒｉｄｄｒ图４－６是顶梁隐藏顶板后所看到的ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布图。从图中可以看到，连接左右内主筋板的筋板ＹｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ比较大，达到了３３４ＭＰａ。图４石项梁隐藏项板后的ＶｏｎＭｉｓｔｓＳｔｍ＇ｓｓ云图Ｆｉｇ．４－６ＶｏｎＭｊｓ％Ｓ扛ｃｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＲｏｏｆ（试ｄ％ｗｉｔｈｏｕｔＲｏｏｆ西安理工大学工程硕士学位论文图４—７是顶梁的左外主筋板的ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布云图。从图中可以看出，在左外主筋板上较大应力的部位是主筋加强板两边区域，且主筋弹簧筒丌孔区域，因截面减小，应力值是２１４ＭＰａ，这也同实际情况相符合。图４－７左侧主筋板ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉ昏４－７ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＬｅｆｔＭａｉｎＦｌａｔ图４—８是顶梁的变形图，从图中可以看出：顶梁偏载时，未约束的一半变形比较大。达到了６．３９ｍｍ：顶梁后端由于掩护梁的作用变形比前端小。图档顶粱变形图Ｆｉｇ．４－８ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＲｏｏｆＧｉｌｄｅｒ４．底座结果分析３０４液压支架的有限元强度分橱从图４－９及图４－１０中看出，在底座承受扭转载荷时，在两个约束的地方和过桥上的应力比较大，最大应力是６３１ＭＰａ。最大变形出现在未加约束的底座前端，是８．１ｒｍ。底座后端变形比较小．从整个应力云图来看，底座扭转时，过桥上的应力比较大，是比较危险的地方，主筋及前部盖板的应力也比较大。图４－９底座ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布云图Ｆｉｇ．４－９ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅ图４－１０底座变形云图Ｆｉｇ．４－１０ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅ西安理工大学工程硕士学位论文从图４一Ｉｌ可以看出，过桥中部凹槽的圆角处应力最大，达到了５５１１Ⅵｄ，ａ，由于过桥采用的材料是０６９０，材料的屈服应力０．＝６９０ＭＰａ，因此此处强度还是符合要求的。图４－１１过桥ＹｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布云图Ｆｉｇ．４－１１ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＧｕｏＱｉａｏ５．掩护梁结果分析从图４—１２可以看出，掩护梁在此种载荷工况下，掩护梁最大应力值小于顶梁和底座。相对而言掩护梁右侧应力比较大，在右侧和顶梁连接的销孔位置应力值最大，达到了１７８ＭＰａ，但还是远远小于材料的屈服应力ｏ，＝６９０ＭＰａ。因此，掩护梁在此种载荷工况下，完全满足强度要求。图４－１２掩护粱ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－１２ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＳｈｉｅｌｄＧｒｉｄｅｒ４液压支架的有限元强度分析６．前后连杆结果分析从图４－１３和图４－１４中，可以看到前、后连杆在此种载荷下，所承受的应力较大，最大应力最大值分别为５１２ＭＰａ、１８５ＭＰａ，低于材料的屈服应力６９０ＭＰａ。图４－１３前连杆ＹｏｎＦｉｇ．４－１３ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图ＭｉｓｅｓＳｕ＇ｃｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＦｉｒｓｔＬｉｎｋａｇｅ图４．１４后连杆ＶｏｎＭｉｓｅｓ￥１口＇ｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－１４ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｃｋＬｉｎｋａｇｅ通过以上的分析，可以看出，该液压支架在顶梁偏载，底座扭转载荷的情况下，所有３３西安理工大学工程硕士学住论文主要的部件受力均比较大，危险部位出现在过桥的圆角处和顶梁的中『白Ｊ筋板上，连杆所受应力也较大，虽然都小于材料的屈服应力，但已经接近于材料的屈服应力，特别是过桥的最大应力。因此，为更好的分布应力，提高该液压支架的可靠性，可在条件允许的情况下，应在结构上加以优化，加大过桥的圆角半径和顶梁连接筋板的厚度。４．４．３顶梁扭转、底座扭转荷载有限元分析１．加载方式此种加载方式主要是测试顶梁在最大弯曲和扭力、底座的扭转时液压支架的强度。如图５—１５所示，底座三点约束，顶梁后端全约束、前端约束一部分。图４－１５加载方式Ｆｉｇ．４－１５Ｌｏａｄｍｅｔｈｏｄ２．液压支架整体结果分析从支架整体应力云图（图４－１６）中，可以看出：整个液压支架的最大应力是６７９ＭＰａ，图４一１６液压支架整体ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布云图Ｆｉｇ．４－１６ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔ４液压支架的有限元强度分析在顶梁和底座上的应力比较大。３．顶梁结果分析图４—１７表明了项梁扭转时所受到的应力分稚，顶梁的最大主应力在６５３１¨Ｐａ左右，除去由于约束所引起的应力集中因素，应力主要分布在顶梁中部及主筋位置，中部盖板的应力也比较大。图４—１９表明了在此载荷工况下，由于应力集中的作用，本应比较大的柱窝部分因加强得到了改善，还有弹簧筒开孔部位应力也比较大，这一点在设计时应加以沣意。图４－１７顶粱ＶｏｎＭｉｓｅｓＳ由ｅｓｓ分布云图Ｆｉｇ．４－１７ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＲｏｏｆＧｒ／ｄｅｒ图４－１８顶粱隐藏顶板后的ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－１８ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＲｏｏｆＧｒｉｄｅｒｗｉｔｈｏｕｔＲｏｏｆ西安理工大学工程硕士学位论文图４－１９左侧主筋板ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－１９ＶｏｎＭｉｓ嚣ＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｔｗｅｏｆＬｅｆｔＭａｉｎＦｌａｔ图４—２０是顶梁的变形云图，从图中可以看出，顶梁的中部变形最大，最大值时８．２１ｒａｍ。图４－２０项粱变形图Ｆｉｇ．４－２０ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＲｏｏｆＧｉｌｄｅｒ４液压支架的有限元强度分析４．底座结果分析从图４—２ｌ，４—２２中看出，在底座承受扭转载荷时，在两个约束的地方和过桥上的应力比较大，最大应力是６７９ＭＰａ。底座后端变形比较小。从整个应力云图来看，底座扭转时，过桥上的应力比较大，达到了５７３ＭＰａ，是比较危险的地方，主筋及前部盖板的应力也比较大。最大变形出现在未加约束的底座ｌｊ｛『端，是８．Ｉｍｍ。图睨１底座ＹｏｎＭｉｓｅｓＳａ－ｅｓｓ分布云图Ｆｉｇ．４－２１ＹｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅ图４－２２底座变形云图Ｆｉｇ．４－２２ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅ西安理工大学工程硕士学位论文５．掩护梁结果分析图４—２３是掩护梁在此种载荷下的应力分布。从图中可以看出在这种载荷下，其中最大应力出现在掩护梁与项梁连接销孔位置附近，最大值是２３３ＭＰａ，掩护梁与后连杆的销孔位置附近也比较大。此种载荷下的变形，掩护梁比较小，仅为２，３４ｍｍ。圈４－２３掩护梁ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－２３ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＳｈｉｅｌｄＧｒｉｄｅｒ图４＿２４掩护梁变形分布云幽Ｆｉｇ．４・２４ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＳｈｉｅｌｄＧｉｌｄｅｒ６．３８丽后连杆结果分析４液压支架的有限元强度分析从图４—２５和图４—２６中，可以看到前、后连杆在此种载荷下，所承受的应力并不是很大，，最大值分别为１８１ＭＰａ、２１４ＭＰａ，都远远低于材料的屈服应力６９０ＭＰａ。图４．２５后连杆ＶｏｎＭｉｏ％Ｓｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－２５ＶｏｎＭｉ溺ＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｃｋＬｉｎｌｍｇｅ图４－２６Ｆｉｇ．４－２６前连秆ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图ＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＦｉｒｓｔＬｉｎｋａｇｅＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ４．４．４顶梁偏载、底座集中荷载有限元分析１．加载方式此种加载方式主要是测试顶梁在最大弯曲和扭力、底座两端加载时液压支架的强度．如图４—２７所示，底座两端约束，顶梁后端全约束、前端约束一部分。西安理工大学工程硕士学位论文图４－２７加载方式Ｆｉｇ．４－２７Ｌｏａｄｍｅｔｈｏｄ２．液压支架整体结果分析从支架整体应力云图（图４－２８）中，可以看出：底座受力较小，顶梁受力较大，其中连杆受力最大。变形主要集中在顶梁上。图４－２８液压支架整体ＶｏｎＭｉｓｅｓＳａ＇ｔ！ｓｓ云图Ｆｉｇ．４－２８ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔ图４．－２９液压支架整体ＹｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－２９ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅＯｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔ４０４液压支架的有限元强度分析３．顶梁结果分析图４—３０表明了顶梁扭转时所受到的应力分布，除去由于约束所引起的应力集中因素，应力主要分布在顶梁中部及主筋位置，中部盖板的应力也比较大。图４－３１表明了在此载荷工况下，由于应力集中的作用，在加载位置的筋板出现了较大应力，达到了５７０ＭＰａ。图４—３２表明了在此载荷工况下，主筋板的应力主要集中在柱窝与后连杆销孔区域内，最大值为２７０ＭＰａ。图４－３０顶梁ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｚ．４．３０ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｆｆｕｒｅｏｆＲｏｏｆＧｒｉｄｅｒ图４．３ｌ顶梁隐藏顶板后的ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－３１ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｘｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅＯｆＲｏｏｆＧｒｉｄｅｒｗｉｔｈｏｕｔＲｏｏｆ４ｌ西安理工大学工程硕士学位论文闰４－３２左侧主筋板ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｌ∞ｅｓｓ云图Ｆｉｇ．４－－３２ＹｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＬｅｆｔＭａｉｎＦｌａｔ图４—３３表明了在此载荷工况下，顶梁最大变形为１０．２４ｒａｍ。图４－３３项梁变形云图Ｆｉｇ．４－３３ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＲｏｏｆＧｒｉｄｅｒ４．底座结果分析从图４—３４中看出，在底座承受集中载荷时，在两个约束的地方和主筋板上的应力比较大，最大应力是２５１ＭＰａ。变形很小，在底座柱窝上仅为２ｍｍ。在过桥上的应力很小，９７ＭＰａ，这同底座受扭差别很大。４液压支架的有限元强度分析图４．３４底庳ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ分布云图ＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅＦｉｇｕｒｅ州ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ图４．３５底座变形云图Ｆｉｇｕｒｅ４－３５ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｓｅ５．掩护梁结果分析图４—３６是掩护梁在此种载荷下的应力分布。从图中可以看出在这种载荷下，其中最大应力出现在掩护梁与顶梁连接销孔位置附近，最大值是２７１ＭＰａ，掩护梁与后连杆的销孔位置附近也比较大。由图４－３７可知，此种载荷下的变形为５．６ｍｍ。垦墨墨兰垄兰三堡塑主！堡垒圭圈４－３６掩护粱＇ＣｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇｕｒｅ４－３６ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅ∞ＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＳｈｉｅｌｄＧｒｉｄｅｒ幽４—３７掩护梁变形分布云图Ｆｉｇｕｒｅ４－３７ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｇｕｒｅｏｆＳｈｉｅｌｄＧｒｉｄｅｒ６．前后连秆结果分析４液压支架的有限元强度分析从图４—３８和图４—３９中，可以看到在此种载荷下，Ｉｉ｛『连杆所承受的应力很大，最大值达到６００ＭＰａ、，后连杆仅为１２６８Ｐａ。图４－３８后连杆ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ云图Ｆｉｇｕｒｅ４－３８ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＢａｃｋＬｉｎｋａｇｅ图４－３９前连杆ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｍｓｓ云图Ｆｉｇｕｒｅ４－３９ＶｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓＣｏｎｔｏｕｒＦｉｇｕｒｅｏｆＦｉｒｓｔＬｉｎｋａｇｅ西安理工大学工程硕士学住论支４．５结果分析及设计改进将各部件最大应力和出现的部位进行统计，如表４－１所示。并进行分析。表４－Ｉ受力统计Ｔａｂ．４ＩｌＲｅｓｕｌｔｏｆＳｔｒｅｓｓ１）对应力分布的认识综合三种工况分析可以知道：顶梁破坏最有可能发生的部位是与掩护梁连接的销孔部位及加载部位和中间部位的筋板，与掩护梁连接的销孔应力比较大，其次是项梁的中间筋板，在顶梁偏载时，应力也比较大，建议两个部位的零件增加厚度或者是采用高强度钢；底座的危险部位主要是过桥，在底座扭转时，过桥的应力集中最明显，建议过桥应采用高强度钢或加厚钢板，并适当增大过桥的过渡圆角尺寸，减小应力集中；掩护梁的危险部位是与顶梁连接的销孔部位，应适当增加该部位的强度：前、后连杆在承受顶梁偏载载荷时应力比较大，应力主要集中在前连杆上，这在设计和制造时应特别注意。有限元进行整架的分析后可以得出得出，在不同的加载工况下，该架型均有主要的受力部件，这可以在应力云图上很清楚的看出来，各部件中受力相对比较大的部位也可以很清楚的发现，可提供比实验室强度实验更全面更完善更准确的支架应力分布情况，准确的反映支架结构应力集中区。４液压支袈的有限元强度分析２）焊接工艺方面的改进因传统设计只对截面进行计算，对于部分筋板和主筋板的应力估计不足，虽然没有超出其材料的许用应力值，但因其之『日Ｊ的焊缝原设计为单面贴角焊缝，易在此部位产生弯曲应力，故该部位的立筋板采用坡口焊接。由底座与顶梁应力分布云图可分析出，在柱窝处的应力相对来说比较大，在此部位主筋板与底板也改用用坡口焊接，经此改进可有效支架的安全性。通过对各种边界条件下的应力分析，不仅能指导实验方法的改进，减少实验误差，而且对提高支架的设计质量和改进制造过程中的焊接工艺均有一定的指导意义。３）材料性能的充分利用顶梁、底座、前连杆的应力比较大，掩护梁和后连秆相对与应力要小的多。仅为２７１、２１４ｌｄｐａ，但设计中整架均采用了８０ＫＧ级别的高强合金板（ｏ。＝８００Ｍｐａ），不仅价格昂贵且焊接工艺复杂，须经多次预热和调制热处理，为此将该部件的钢板改为６０ＫＧ（０。＝６００Ｔｄｐａ）级别的钢板，组对点焊和焊接时不需预热，可大大降低成本和提高效率。４）设计方法的改进传统的液压支架的设计一般要经过样机设计——样机制造——型式（压架＞试验——改进设计——生产定型等阶段，在型式（压架）试验之前．对设计结果无法验证，也无法进行改进。在加入三维设计和有限元分析后，可以在虚拟样机上获取必要的数据，从而指导改进不合理的部分，改进设计可在样机制造之前进行，既为样机设计——改进设计——样机制造——型式（压架）试验——生产定型，不仅能节省成本，并使型式（压架）试验的样机同定型机保持一致。４．６本章小结本章根据使用情况对支架模型进行简化，通过对支架试验标准的研究，确定支架的实验高度并选择底座扭转、顶梁偏载，顶梁扭转、底座扭转，顶梁偏载、底座集中三种载荷工况进行分析，得出了各主要部件的应力云图和变形图，并根据计算结果对原支架进行了改进。西安理工大学工程硕士学位论文５．结论和展望５．１结论本文在对液压支架结构和外载荷分析的基础上，应用有限元法对液压支架进行静力强度分析，得出以下结论：通过对液压支架的发展状况分析研究，总结了我国液压支架设计所取得的成就，指出了传统液压支架设计中存在的问题，为改进液压支架的设计方法提供了参考。通过对液压支架载荷的来源和特征的分析，指出了容易导致液压支架损坏的载荷工况，为液压支架进行力学分析提供了依据。利用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ三维机械设计ＣＡＤ软件，大幅度缩短液压支架的设计周期，建立支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的各种运动轨迹和关系都清晰、直观的显示出来，提高支架的设计效率和设计质量。同时，也能快速的建立有限元分析模型。在有限元分析基础上得出了在底座承受扭转载荷、项梁偏载、项梁扭转、底座两端受载等不同的边界条件下，液压支架的危险部位，为液压支架的设计和分析提供了理论参考。利用三维模型建立起来的虚拟样机，作用在很大程度上替代了传统设计中制作样机验证设计的过程，极大的缩短了设计周期，降低了成本。通过对各种边界条件下的应力分析，不仅能指导实验方法的改进，减少实验误差，而且对提高支架的设计质量和改进制造过程中的焊接工艺均有一定的指导意义。在方案和确定和设计过程中，综合运用、借助三维造型对液压支架进行有限元分析、运动仿真，避免运动中的机构干涉现象，能够使设计中的虚拟样机检验发挥强大的作用，确保液压支架安全可靠，结构优化合理，探索液压支架设计的新思路，提高液压支架的设计水平。该型支架经改进后顺利通过了北京开采所的型式试验，现已顺利下井投入生产，满足了生产的迫切要求。５．２展望虽然本论文在对液压支架的三维建模、载荷研究的基础上进行了强度分析，但是由于作者理论知识的欠缺和工作条件的，还需要进一步的提高和改进。１．对液压支架使用环境进行进一步的研究，为液压支架的设计提供理论基础。２．随着有限元技术的发展，进一步对液压支架进行动态的有限元分析和可靠性分析，确定液压支架在升降过程中的应力分布情况以及各种复杂边界条件下的应力分布。３．结合优化设计软件和有限元分析软件，对液压支架应力分布比较集中的零件进行尺寸优化，降低应力集中，提高液压支架的可靠性．并对主要零部件进行参数化设计，提高设计的质量和速度。鹌致谢致谢在论文即将完成之际，首先衷心感谢我的导师李淑娟老师。从论文的最初选题到研究方法，技术路线以及论文的撰写都是在李淑娟导师的悉心指导和热切关怀下完成的。导师渊博的知识、敏锐的思维、严谨的治学态度和诲人不倦的育人作风，使我终生受益。她对学生严格要求，着重培养学生的思考能力和创新能力，使我在研究生期间受益匪浅。对在学业上对自己的巨大帮助，在此表示最为真挚的敬意和深深的感谢！并在此感谢所有被引用的文献的作者们，是他们的研究成果使我在课题的研究和论文的撰写中受益非浅。最后，由于本人的水平和工作条件的，论文之中难免有不足和错误之处，恳请各位专家、教授批评、指正，再一次表示感谢。西安理工大学工程硕士擘位论文在校期间发表的论文：第一位，ＦＩｕｉｄＳｌＭ软件在液压支架液压系统中的应用．煤矿现代化，２００３年４月第二位，先进制造技术理念在传统煤机制造企业的应用．煤矿现代化，２００６年６月参考文献参考文献【１】【２】【３】【４】【５】赵宏珠．同采１：作面端头支护技术与没蠢【Ｍ】．北京：煤炭。１‘业出版社，１９９９千国法．煤矿高产高效综采技术发展问题的探讨【Ｍ】．北京：煤炭。ｌ：业出版社，１９９６千国法．液压支架技术［Ｍ】．北京：煤炭Ｉ：业山版神，１９９３宁桂峰等．ＡＮＳＹＳ在新型立柱设计中的仿真席Ⅲ［Ｊ］．机械没计与制造，２００４，（１）：２０。２１乔红兵等．轻放液压支架掩护粱强度有限／ｉ分析【Ｊ】．矿山压力与项板管理，２００３，Ｖ０１．２０（４）：５９－６０【６】【７】２５３－－２５８姜勇．ＡＮＳＹＳ７．０实例精解［Ｍ】．北京：清华人学出版社．２００３史元伟．综防工作面围岩动态及液压支架载荷力学模型［Ｊ】．煤炭学报，１９９７，Ｖ０１．２２（３）：【８】【９】５６－６３史元伟等．矿井多煤层开采围岩应力分析与设计优化【Ｍ】．北京：煤炭工业出版社，１９９５徐忠正．支撑掩护式液压支架在非对称载荷卜的受力分析［Ｊ】．煤炭学报，２００３，Ｖ０１．１５（２）：【１０】局，１９９７【１１】中华人民共和国煤炭行业标准Ｍ１／Ｔ５７８—１９９６，液压支架结构件制造技术条件．国家煤炭：【：业中华人民共和国煤炭行业标准ＭＴ３１２—２０００，液压支架通用技术条件国家煤炭工业局，２０００—１２一０８批准，２００１—０５一０１实施【１２】【１３】【１４１【１５】【１６］【１７】【１８］【１９】【２０】［２１】［２２】【２３】社２００２【２４】黄国权．有限元法基础及ＡＮＳＹＳ应用［Ｍ】．北京：机械工业出版社．２００４罗高作．ＡＮＳＹＳ及结构分析应用［Ｊ］黄石高等专科学校学报，２００２，Ｖ０１．１８（３）郭乙木等．线性与非线性有限元及其应用［Ｍ】．北京：机械工业出版社２００４，（Ｉ）：２６’２８曾攀．有限元分析及应用【Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４桑冲峰．在液压支架中采用三维辅助设计的几点探讨［Ｊ】．煤矿机械，２００４，（８）：４０－－４２王国法．液压支架三维建模及其运动仿真［Ｊ】．煤炭科学技术，２００３．Ｖ０１．３１（１）：４２￣４５程仰瑞．液压支架模拟试验系统【Ｊ］．煤矿机械，２００２，（３）：５１’５３朱诗顺．液压支架结构与材料的优化设计【Ｍ】北京：煤炭工业出版社１９９６，８王招．提高液压支架可靠性的技术途径【Ｊ】．山西煤炭管理干部学院学报，２０００，（３）：５９～６２梁醒培．液压支架底座结构强度优化【Ｊ】．煤矿机械，１９９７，（９）：４－６邢富康．煤矿支护手册［Ｍ】．北京：煤炭Ｔ：业出版社１９９３董志峰．轻型放顶煤液压支架及其与罔岩关系理论与实践［Ｍ］．北京：中国科学技术出版王贤坤．机械ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应片Ｊ与开发［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００１ａｎｄ【２５】ＮｅｅＡＹＣ，ＢｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａＮａｎｄＰｏｏＡＮ．ＡｐｐｌｙｉｎｇＡＩｉｎｊｉｇｓａｎｄｆｉｘｍｒｅｓ［Ｊ】．Ｒｏｂｏｔｉｃｓｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，１９８７，Ｖ０１．３ｆ２）：１９５～２００［２６】Ｂｅｎｓｅｈａｍｄｉ，Ｓ．（ＵｎｉｖｏｆＡｒｍａｂａ）；ＰｏｒｔｅｇＩ．；Ｓｉｎｇｈ，Ｒ．Ｎ．Ｅｌａｓｔｏ－ｐｌａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ西安理工大学３－程硕士学位论文ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｏｏｍａｎｄｐｉｌｌａｒｍｉｎｅｗｏｒｋｉｎｇｓＰｒｏｃ１１ＩｎｔＣｏｎｆＧｒｏｕｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｉｎ，１９９２，Ｐ８４—９１［２７１１２８】【２９】杨运平，周儒荣．特征设计的定位约束参数化技术［Ｊ］．航空学报，１９９７，Ｖ０１．１８（１）：５０～５６徐濒主编．机械设计手册［Ｍ】．机械ｌ：业出版社１９９８．３｛口ｌ辉，段敏，ｉｉ品，焦洪宁．虑川Ｐｒｏ．ｅ软件实现零部什的参数化设计［Ｊ］．机床与液压，２００４，（１１）：１５１～１５２，１９１【３０１圳赤兵，赵家黎，邬再新．基丁ＰＲＯ—Ｅ的同转零件ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＰＰ集成系统的开发与应川［Ｊ】．制造技术与机床，２００４，（４）：６８－－６９，７２【３ｌ】【３２】庸荣锡．ＣＡＤ／ＣＡＭ技术ｆＭｌ．北京：北京航天航空人学山版社，１９９４Ｕｅｄａｙ，Ｍｕｒａｋａｗａｈ，Ｌｕｏｙ．ＡＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｏｄｅｌｏｆＴｒａｎｓｆｏｍｍｔｉｏｎｆｏｒＷｅｌｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｒ］，Ｔｒａｎｓ，ＪＷＲＩ，１９５２，２４（Ｉ）：９５～１００【３３】【３４】张胜民．基于有限元软件ＡＮＳＹＳ７．０的结构分析［ＭＩ．北京：清华大学出版社．２００３小枫１：作室编．晟新经典ＡＮＳＹＳ及ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ教程［Ｍ】．北京：电子！【：业出版社．２００４５２