基于Pro_E与ANSYS的液压支架运动仿真与有限元分析

1、第30卷第2期2009年2月煤矿机械CoalM ine MachineryVol.30No.2Feb.2009基于Pr o/E与ANSYS的液压支架运动仿真与有限元分析3何明,曾庆良,张鑫,孙国顺(山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510摘要:利用Pr o/E建立了液压支架三维参数化模型,然后利用其运动仿真模块Mechanis m 进行运动仿真分析,并将模型导入ANSYS进行有限元分析,这种方法提高了设计效率,缩短了设计周期,也提高了液压支架设计的可靠性。关键词:液压支架;三维建模;运动仿真;有限元分析中图分类号:T D355文献标志码:A文章编号:1003-0794(200902-

2、0075-03M oti on Si m ul ati on and Fi n ite Ele ment Analysis ofHydrauli c Support Based on Pr o/E and ANSYSHE M i n g,ZENG Q i n g-li a ng,ZHANG X i n,SUN Guo-shun(College of Mechanical and Electr onic Engineering,Shandong University of Science andTechnol ogy,Q ingdao266510,ChinaAbstract:App lying

3、Pr o/E t o set up the three-di m ensi onal model of hydraulic support,then app lying mechanis m module of Pr o/E t o si m ulate,and then s witching int o ANSYS f or finite ele ment was analyzed, it can heighten the efficiency of designing,shorten the peri od of designing and i m p r ove the reliabil

4、ity of hydraulic support.Key words:hydraulic support;three-di m ensi onal modeling;moti on si m ulati on;FEA0引言液压支架是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备之一,设计性能高、工作可靠的液压支架是提高采煤机械化程度的重要途径。本文以3国家十一五科技支撑计划课题(2006BAB11B05某放顶煤液压支架为例,介绍了如何利用Pr o/E与ANSYS实现液压支架的三维实体建模、运动仿真分析和有限元分析过程,提高了液压支架的设计水平。1三维建模本文采用自底向上的建模方法,首先利用Pr

5、o/ E提供的特征建模工具完成零件模型的建立,在此基(5QZK2445大型高效煤泥筛模态分析从以上分析结果和振型分布图可以看出,振动筛低阶模态分布比较密集,振型属于刚体振动,而图7、图8为高阶模态,属于弹性体的弯曲振动模态,但是各阶频率都远离开他的工作频率24Hz,即筛机工作在远共振区域内。足以说明此设备的设计结构具有一定稳定性和可靠性。4结语从以上分析可知,振动筛结构模态分布主要为结构整体的刚体平动、俯仰振动、弯曲振动和扭转振动。可以看出低阶模态分布比较密集,振型为刚体振型,而高阶模态属于弹性弯曲振动模态,但频率均远离工作区域频率,所以在实际工作中不会引起共振现象的发生。由于在实际中振动筛的

6、模态数值的测试非常不方便,因此计算出的结果和振型图也为今后振动筛结构的设计奠定了理论基础。参考文献:1艾志久.直线振动筛结构的固有频率计算J.石油矿场机械,1995,2(1.2吴丽娟.直线振动筛振动特性分析J.机械工程师,2004(8.作者简介:鲍玉新(1978-,辽宁朝阳人,2003年毕业于辽宁工程技术大学机械设计及其自动化专业,毕业后一直在煤炭科学研究总院唐山分院生产开发中心从事振动筛设计与研发工作,电话:0315 -7759413。收稿日期:2008-09-24础上完成装配模型的建立,模型中的装配关系有2种:(1元件间无相对运动关系液压支架主要部件多为大型组焊件,可将其视为刚性体,元件间

7、设置为完全约束,液压支架的顶梁、底座、掩护梁、尾梁、前后连杆以及插板等部件均以此种方式建立。(2元件间存在相对运动关系建立运动连接,使元件保留某些自由度,运动类型与选取的连接类型有关,常见的连接类型有刚性联接、销钉联接、滑动杆连接、球联接等。本文模型中建立的运动连接主要有:销钉联接铰接点处采用此种联接方式,前后连杆与底座之间、前后连杆与掩护梁之间、掩护梁与尾梁之间以及顶梁与掩护梁之间均采用销钉联接;滑动杆联接立柱、千斤顶的活塞杆与缸体之间采用滑动杆连接;球联接立柱柱头与顶梁柱窝、底座柱窝之间采用球连接。液压支架装配模型如图1所示。装配模型建立后,可利用Pr o/E提供的模型分析功能,对液压支架

8、进行静态和动态全局干涉检查,以及质量、体积、重心位置等参数的计算,为后续的优化设计提供必要的数据支持。根据优化结果,可随时对元件进行修改,模型相关的各个设计环节将自动更新设计结果,确保所有零件和各个环节保持一致性和协调性 。图1液压支架装配图2运动仿真分析在成功建立液压支架装配模型的基础上,利用Pr o/E的Mechanis m模块对支架模型进行运动仿真分析。2.1工作流程首先是设置驱动,液压支架在工作过程中要实现升、降、推、移以及伸缩梁、护帮板、插板等的动作过程,主要是通过高压乳化液作用于立柱(或千斤顶活塞杆和缸体来实现的,因而可以在二者之间的滑动杆连接轴处添加伺服电机驱动。在伺服电动机定义

9、设置中,通过对轮廓选项卡中规范和模的设置来定义完成位移时间函数。然后进行分析定义,选择分析类型为运动学,在电动机选项卡中对支架各驱动电机运动时间进行设置,完成帧数配置,运行仿真并保存分析结果。最后借助分析测量工具对结果做以下分析:回放时选取全局干涉,进行动态干涉检查。当检测到元件间存在相互干涉时,干涉区域会加亮;回放结束后,制作生成3.mpg格式的视频文件,进行动画演示,以便更直观地模拟演示整个运动过程;利用测量功能,分析某一位置的运动轨迹、速度、加速度等,并将其变化趋势通过图表的形式直观地表现出来。如果仿真结果不理想,可在设计模式下直接修改模型参数,重复仿真分析,以达到机构优化的目的。2.2

10、分析举例液压支架四连杆机构的尺寸,直接影响着液压支架的工作性能和受力状况,四连杆机构几个重要尺寸参数有:支架顶梁前端点的运动轨迹及其最大宽度;支架在最高位置时顶梁与掩护梁的夹角(锐角;支架顶梁前端运动轨迹的切线与顶梁垂线夹角的正切值。以上参数均要求以支架运动高度为参照量,选择适当测量点,将相关数据导入Excel进行必要的数学处理,绘制相关数据曲线,分析结果如下:(1支架顶梁前端的运动轨迹从图2中可以看出支架顶梁前端运动呈双纽线轨迹,支架从最低位置到最高位置梁端轨迹变化范围在12mm内,即e<12mm,运动轨迹近似为直线,满足设计要求。支架由高到低的运动过程中,在2400mm高度以上时,t

11、an值为正,又因为立柱前倾,立柱的工作阻力为负,由工作阻力与tan引起的附加力为负,为减小附加力,应尽可能使支架的工作段在这点以上;在这段区域支架承载让压的过程中,当支架下缩时,顶梁向前靠近工作面,顶板对顶梁的摩擦力方向向后,使支架有顺时针转动的趋势,增加了顶梁前端的支撑能力,防止支架前倾 。图2顶梁前端运动轨迹曲线图(2顶梁与掩护梁夹角随支架高度变化变化曲线如图3所示,支架在最高位置时夹角 约为40°,满足设计要求。 图3顶梁与掩护梁夹角(锐角曲线图3有限元分析 通过ANSYS 与Pr o /E 的接口设置将ANSYS 直接集成到Pr o /E 中,这种集成方式可实现2种软件的无缝

12、连接,从而保证导入模型的准确性。由于液压支架的结构比较复杂,导致有限元分析速度会很慢,因此在保证对主要、关键零部件影响不大的原则下,将Pr o /E 三维模型进行合理简化再导入ANSYS 进行有限元分析。 以液压支架试验通用技术条件(MT3122000为依据,分别对液压支架整体及主要零部件进行各种不同受载情况下的受力分析,对液压支架进行优化设计。以整架均布载荷为例对液压支架进行有限元分析具体步骤如下:(1定义单元类型,选择Structural Solid B rick 8node 45;(2定义材料属性,材料弹性模量为2.2e11,泊松比为0.3;(3静力学网格划分;(4设置边界条件,设置底板

13、位移约束ux 、uy 、uz 均为0;(5施加均布载荷、求解。分析结果如图4、图5、图6所示,从图中可以得出均布载荷受力下整体的最大变形量、等效应力最大值以及等效应变最大值。最大应力主要分布在支架前柱柱头与顶梁及底座联接的柱窝周边区域,均布载荷受力下顶梁受力基本均匀,前柱受力大于后柱。满足最大应力(max =110.829MPa 小于材料的许用极限应力,支架的最大变形量(D max =0.108mm 小于支架的许用变形量,支架强度与刚度满足设计要求。通过对液压支架整体及主要零部件结构在不同受载下的具体受力情况分析,既可以对应力危险区和薄弱环节的零部件进行改进加强,也可以对某些应力较小、结构材料浪费的零部件按照实际情况进行优化减重,从而保证了支架设计的可靠性与经济性。图4合位移场分布图图5等效应力场分布图图6等效应变场分布图4结语本文采用Pr o /E 完成液压支架的三维实体建模以及运动仿真分析,然后将模型导入ANSYS 进行有限元分析,从而实现优化设计,极大地缩短了设计周期,降低了成本,改进产品设计质量,提高了面向客户与市场需求设计的能力,对于液压支架的设计分析具有很好的指导意义。参考文献:1丁绍南.采煤工作面液压支架设计M .北京:世界图书出版公司,1991.2鲁忠良,景国勋,肖亚宁.液压支架设计使用安全辨析M .北京:煤炭工业出版社,199