工程有限元实例分析

溜槽挡板槽帮的有限元分析摘要：本文根据刮板输送机溜槽在煤矿井下推溜工况下时的受力情况，对溜槽挡板槽帮建立力学模型。根据计算得溜槽挡板槽帮最大的载荷值及其作用部位，结合Solidworks和ABAQUS软件强大的CAD/CAE功能建立挡板槽帮的实体模型并对其进行有限元分析。根据溜槽在井下的实际工作情况，重点分析挡板槽帮的凹、凸端头和推移耳这三个部位的强度。通过有限元分析，明确挡板槽帮在实际工作中易损部位，并为槽帮的焊接制造提供建设性建议。关键词：刮板输送机；溜槽挡板槽帮； ABAQUS有限元分析Chute Baffle Slot for Finite Element AnalysisAbstract: In this paper, according to the stress situation of scraper conveyor chute in coal mine underground pushing conditions, establishing the mechanical model of chute baffle slot. Based on the calculation of chute baffle groove for maximum load value and its location, solid and finite element analysis model is established for the baffle slot combining with SolidWorks and ABAQUS software with powerful function of CAD/CAE. In the light of the chutes actual working situation in the mine, taking the strength analysis for baffle of concave convex end and passes the ear of the three parts as emphasis. By the finite element analysis, the baffle vulnerable in practical work site can be clear, so as to help the groove welding manufacturing provide constructive advices.Key words: scraper conveyor; baffle; ABAQUS finite element analysis1引言 多年来的生产实践证明，刮板输送机事故影响生产时间为工作面其他设备之首，占工作面事故时间的25%50%1。其他零部件的磨损和破坏都可以及时地更换，这对工作面的正常生产不会带来太大的影响。但是，溜槽是刮板输送机的关键部件之一，而整个溜槽的支撑骨架是两侧的槽帮钢，它一旦失效，整个溜槽就都报废，它一旦破坏，更换起来就相当麻烦，增大了维修时间，很大程度上影响了工作面的正常生产。所以溜槽槽帮的可靠性及强度很大程度上决定了企业的日产煤量，也直接影响了企业的经济效益2。 刮板输送机是综合机械化采煤工作面三机配套不可缺少的关键设备。在综采工作面上，液压支架担负着顶板支护和推移刮板输送机（即推溜）的任务；采煤机沿刮板输送机纵向行走并担负落煤和装煤的任务；刮板输送机则担负采煤机轨道、运煤和移架支点等任务。任何一个设备发生故障都将使得工作面的推进难以进行。只有这三机配套协调工作，才能保证工作面采煤工作的顺利进行。 本案例就是利用有限元软件对溜槽当帮槽帮在推溜工况下进行静力强度分析。2有限元模型的建立2.1实体模型的简化以及受力分析 根据溜槽挡板槽帮的实际尺寸，采用Solidworks对溜槽挡板槽帮进行三维实体建模。在Solidworks中建立的槽帮模型保存为“X_T”文件后导入ABAQUS的Part模块中，并对模型的一些缺陷进行修补完善，从而得到比较合理的几何模型。三维实体模型建立后，将其导入到ABAQUS中进行有限元建模及后处理。 将溜槽挡板漕帮从整节溜槽中简化出来，也就是去除溜槽的联接板、铲煤板、中板、底板和齿轨座等部件，同时取消一些不影响结果的螺纹孔和倒圆。以下是简化后的溜槽挡板槽帮的受力分析：图1 挡板槽1推溜时的瞬态受力图31、2、3推溜顺序 为槽1的偏转角 图中F是单节溜槽所受阻力的合力，即液压支架的推力，其中为相邻溜槽对槽帮的反力。鉴于本模型的简化，为零，可计算得到F、的大小。 2.2有限元模型及材料属性的定义 参照张家口煤矿机械有限公司的刮板输送机溜槽的设计参数可知，挡板槽帮的材料为ZG30MnSiMo，屈服强度为860MPa，抗拉强度为950MPa,泊松比为0.3，弹性模量为218GPa。 在ABAQUS中，由于模型复杂，无法对模型直接划分网格，因此采用最为灵活的自由网格划分技术。自由网格操作，对实体模型的形状没有特殊的要求，几乎可以用于任意的几何形状。对于实体模型，一旦选则了Free划分网格，单元类型就只能选择C3D4、C3D10和C3D10M，即全都是四面体单元，二次单元计算的精度更高（但代价更大）4。由于本文主要分析静强度问题，故应力集中问题很关键，所以应该选C3D10提高精度。 2.3载荷和边界条件的定义 通过力学模型的简化以及相关计算可知，推移耳处的集中载荷为纵向沿z轴正向为63.041kN，横向沿x轴正向为554.023kN。凸端头处的集中载荷为横向沿x轴负向218.543kN。尽管理论计算得到的都是集中载荷，但实际液压支架推移耳处通过销联接，槽帮凸凹端头也是面面配合，因此采用点面耦合，将集中载荷施加在合适的空间点上而这个点又与作用力的面耦合。图2 推溜时载荷分布3图3 定义载荷3计算结果及分析 通过挡板槽帮的应力云图可知，槽帮整体受力满足材料的屈服强度（860MPa），推溜工作的关键部位，即推移耳与支架液压缸连接件的接触部位最大应力值(450MPa),没有超过材料的屈服强度,而凸端头根部应力值很大，并且此处的网格质量也比较差。为了提高精度，需要对凸端头根部的圆角处进行网格细化。设置凸端头根部边界种子尺寸为3，对其网格细化。细化网格之后的模型可得到节点个，单元个，如图5。明显细化网格之后，模型的极大应力值上升为559MPa，并且仍在凸端头根部，因此，此处的极大应力值仍小于材料的屈服强度，故强度满足要求。通过槽帮的位移云图6可知，槽帮的形变量也不大（最大值出现在推移耳处，为54m），在允许的形变范围之内，满足煤矿机械工作要求。图4 未细化的槽帮应力云图图5细化后的槽帮应力云图图6细化后槽帮的位移云图4结论 通过对挡板槽帮的有限元分析可知，槽帮的整体强度都满足推溜工况的要求，只是个别细小的部位，比如推移耳工作部位（最小安全系数为1.5）和凸端头根部（最小安全系数3.7）载荷比较集中。推移耳处极大应力值处在载荷边界处，经细化网格后此处结果容易出现应力奇异，故结果不太准确，其实际安全系数肯定大于1.5。可见，载荷和约束边界处的结果不可取。 通过对比细化网格前后的分析结果，可见其差异很大，所以在条件允许的情况下，应尽量细化结构的网格，以提高计算精度。 通过以上分析可知，槽帮推移耳与联接销接触处应力较大，实际使用中此处也容易被挤豁。针对上述问题，可以做如下改进： 1）退应力淬火处理以消除残余内应力，从而减小其失效的概率； 2）可以设计新型联接构件，一改联接销和推移耳的小接触面积，从而提高其强度。对挡板槽帮有限元分析时，其加载方式和划分网格的方式有待进一步的改进，以提高计算精度和减小误差。参考文献 1 王成学，李志斌. 框架式刮板输送机的研制和应用J.煤炭科学技术