（机械工程专业论文）液压支架的整体有限元分析.pdf

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 签名： 签名： 摘要 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z f 8 5 0 0 2 1 4 0 y d 型两柱掩护式放顶煤液压支架为例，利用p r o e n g i n e e r 三维机械 设计c a d 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 t i t l e ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fw h o l eh y d r a u l i cs u p p o r t s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l e i p i n gc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f s h u j u a n s i g n a t u r e ：厶皿留幽 l i s i g n a t u r e ：拉坐生 a b s t r a c t ht h i st w e n t yy e a r s , t h em i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na d v a n c e di nag r e a ts p i 剐t h e e x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tl e v e lh a v eb e e ne n h a n c e d , t o o h y d r a u l i cs u p p o r ti st h e k e ye q u i p m e n to fc o m p e n s a t i v em i n i n gs u r f a c e , a n di t st h ek e yf a c t o ro fm i n i n gs u c c e s s f u l l y o r n o t t h i sp a p e ri sm a i n l yr e s e a r c ho nh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g nm e t h o d t h ea u t h o ra n a l y s e st h e d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cs u p p o r ta n ds u g g e s t s t h ea c h i e v e m e n to fh y d r a u l i cs u p p o r t d e s i g n ，i n d i c a t e st h eq u e s t i o n si nt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，i n t r o d u c e st h et h r e e d i m e n s i o n a lb u i l d i n ga n dw h o l e s u p p o r tf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i st os u p p o r td e s i g n t h i st h e s i si sm a i n l yb a s e do nz f 8 5 0 0 2 1 4 0h y d r a u h cs u p p o r t u s m gp r o es o f tr e d u c e s t i m eo fd e s i g ng r e a t l y t h r o u g ht h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lb u i l d i n g ，m o d e lp r e d i g e s t i o n , c h o o s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s e ss o f t ，c o n t r a c tt r e a t m e n t , m e s ha n d a n a l y s i so fe x t e r n a ll o a d ， t h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r cb u i l t t h r o u g hv i r t u a lp r o t o t y p eb a s e do nt h et l l r e ed i m e n s i o n a lm o d e l t h ec o s ta n dt i m ei s r e d u c e dg r e a t l ya n dt h eo l dd e s i g nm e t h o dh a sb e e ni n s t e a d e d t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fw h o l es u p p o r t , t h i st h e s i ss u g g e s t st h em o s t d a n g e r o u ss t r e s si n t e n s i t yp l a c eo f d i f f e r e n tf o r c ec o n d i t i o n s i nc o n c l u s i o n , t h i sp a p e r h a ss o m e g u i d i n gs i g n i f i c a n c et oa d v a n c et h es u p p o r td e s i g na n dw e l d i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d ：h y d r a u l i cs u p p o r t ；t h r e ed i m e n s i o n a l ； w h o l e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s i i 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 f 4 j 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80 7 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6 0 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 f i g i - 1h y d r a u l i cs u p p o r t 1 9 5 4 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 面支护设备的技术革命。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 0 世纪6 0 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。2 0 世纪7 0 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8 0 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2 0 世纪8 0 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9 0 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2 0 0 1 年起强制执行新的町3 1 2 2 0 0 0 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0 1 。 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2 0 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2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初。3 0 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3 0 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 2 1 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 1 7 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( c a d ) 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c a e 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a n s y s 软件，依据欧洲c e n 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a d i n a 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1 6 ，6 8 。 中国矿业大学( 北京) 通过利用s o l i de d g e 建立掩护梁三维模型，使用a b a q u s 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( c a d ) 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6 0 0 万吨全自动综采 工作面配套的z f 8 5 0 0 2 1 4 0 y d 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 4 1 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。 6 2 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q l ，二是老 项形成的压力q 2 。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q 1 ，当直接顶破碎，则由顶板独自承担压力q l ：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q 2 老曩 幽2 一l 液压支架载荷示意图 f i g2 - 1d i g r a mo f h y d r a u l i cs u p p o r tl o a d 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 f i g2 - 2i n t e r s i t yl o a do i lm i d d l eo f r o o f g n d e r 2 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 f i 9 2 - 3 i n t e r s i t y l o a d o n d o u b l es i d e o f r o o f g n d e r 3 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 f i g 2 - 4i n t e r s i t yl o a d0 1 1s i n g l es i d eo f r o o f g n d e r 4 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 f i g 2 - 5t o r m eo nr o o f 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( 1 f r t 5 5 6 1 1 9 9 6 ) 液压技术通用技术条件( m t 3 1 2 2 0 0 0 ) 、放顶煤液压支架技术条件( 町t 8 1 5 1 9 9 9 ) 、 液压支架产品质量分等( m t t 4 1 7 一1 9 9 5 ) 、液压支架型式与参数( m t t 1 9 6 1 9 9 6 ) 等 系列标准1 1 e i ij 。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。 1 0 3 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2 0 世纪4 0 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 l l 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 1 2 3 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i i ，n r ( 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c a d 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c a d 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f e a 软件和面向 流体力学领域的c f d 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m s c 公司的 m s c n a s t r a n 、m s c m a r c ，美国a n s y s 公司的a n s y s ，美国l s t c 公司l s d y n a ，美国n e i 公司的n e n a s t r a n ，比利时s a m t e c h 公司的s a m c e f ，美国h s k 公司的a b a q u s ，美国u g 公司的i d e a s ，美国a i t a i r 公司的h y p e r w o r k s 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。 1 4 3 液压支架有限元三维模型的建立 常用有限元分析软件： 1 f e p g f e p g 是北京飞箭公司推出的一款国产有限元分析软件。f e p g 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 限制。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q u s a b a q u s 是美国h s k 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 a l g o r a l g o r 是美国a l g o r 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，a l g o r 已推出了中文界面的版本。 4 m s c n a s t r a n m s c n a s t r a n 是在美国联邦航空管理局( f a a ) 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 l s d y n a l s d y n a 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n s y s a n s y s 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a n s y s 开发，它能与多数 c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 是 a n s y s 公司新近开发的新一代前后处理环境，a w e 通过独特的插件构架与c a d 系统中的实 体及面模型双向相关，具有很高的c a d 几何导入成功率，当c a d 模型变化时，不需对所篪 加的载荷和支撑重新施加；a w e 与c a d 系统的双向相关性还意味着可通过a w e 的参数管理 器可方便地控制c a d 模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。a w e 在分析软件中 率先引入参数化技术，可同时控制c a d 几何参数和材料、力方向、温度等分析参数，使得 a w e 与多种c a d 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 1 5 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c a d 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a w e 中。a w e 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，a w e 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a n s y sw o r k b e n c h 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c a d 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c a d 软件有：美国p t c 公司的p r o e 、d r c 公司 的i