基于ansys的液压支架有限元分析

基于ansys的液压支架有限元分析

0液压支架结构分析及设计的应用计算机硬件和恶意软件的快速发展为使用有限的方法和复杂设备提供了可能性，并且有限的方法可以应用于大、复杂的工程结构和设备。金元技术逐渐应用于原油结构的分析和设计。本文基于ANSYS平台针对ZFS6200/18/35液压支架进行了整架有限元分析。1支架有限预算建模1.1anasasis的建模方法支架是由顶梁、掩护梁、底座三大部件以及前、后连杆和前梁、护帮板、尾梁、侧护板等辅助结构件以及各种操纵阀、控制阀组成。根据液压支架试验的工况及这些零部件在液压支架试验时对支架的受力影响程度不同,首先从整体结构上进行简化,分析模型仅保留顶梁及构成四连杆的掩护梁、底座、前后连杆,其它对主要部件受力影响不大的部件省略。其次,还要从部件内部进行适当简化,将各部件内无关大局的结构进行简化、合并、省略,如顶梁的阀板、管卡、弹簧筒等便作了省略处理。进行整架分析,可减少部件分析的一些假设边界条件,从而避免了人为的力、力矩分配带来的计算误差。ANSYS常用的建模方法有2种:(1)将通用CAD软件所建模型以IGES、STEP格式导入或者用为UG、Pro/E、CATIA配置的专用接口程序将其所建模型直接转换过来;(2)用ANSYS的前处理模块进行建模。支架部件多为复杂的多腔室薄壁箱形结构,三维几何模型转换过程中会有数据损失,模型转换成功率低,并且模型中箱形结构肋板与盖板之间的约束关系(焊接关系)在建模过程中没有加以限制,对导入的整体模型,还要经过粘结和重叠等布尔运算才行,但布尔运算往往很难通过,无法向下进行分析计算。故利用ANSYS的前处理模块建模,采用程序流方式进行,虽然GUI交互方式比较直观,做一步显示一步,但仅适合于简单模型,当模型复杂时,一旦出错有可能前功尽弃,建模过程中模型修改也很麻烦,另外结果以*.db格式保存,文件很大,不利于存储交流,用程序流建模,比较灵活,建模过程中可对模型进行参数化处理,模型的修改很方便,且不会丢失中间结果,以*.txt格式存贮,文件小,易于保存和交换。箱形结构采用平面和曲面造型,顶板、底板与主肋、横肋之间的焊接关系通过面粘结及面重叠等布尔运算来进行。1.2单元类型、网格划分及分析各部件薄壁箱形结构,是由主肋板、盖板、横肋板等组合和封闭而成。这类板件厚度方向尺寸与长宽方向尺寸相比小得多,一般小于1:10。承载时,除在其平面内受拉压外,还承受弯扭作用,所以采用平板壳元SHELL63来模拟,它是四节点三维弹性壳单元,每节点有6个自由度。该类型单元适用于薄板或薄壳结构的纯薄膜应力、纯弯曲应力以及2种应力综合分析,另外,还可用于复合层分析。采用自由划分网格法,ESIZE=50。网格划分结果见图1,顶梁共有9326个节点,形成10379个单元;掩护梁有5852个节点,形成6238个单元;前连杆有1758个节点,形成1862个单元;后连杆有912个节点,形成944个单元;底座有7548个节点,形成8037个单元。实常数则根据各部位不同的板厚分别进行定义。材料为16Mn,关键部位采用高强板Q550,E=2.1×101.3顶梁扭转、眼底扭转工况对载的影响有限元分析中,边界条件的处理对分析结果有着重要的影响,边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。根据经验,支架受扭或偏载是其损坏主要原因,依据液压支架通用技术条件,分别选取顶梁扭转(见图2)、底座扭转工况(见图3),考核顶梁和底座强度。对于顶梁扭转工况,顶梁垫块处按位移边界条件处理,限制3个平移自由度,底座底板与实验台面接触,故限制底面节点竖直方向自由度(Y),对于底面靠近柱窝处的节点,还要限制其水平面内平移自由度(X,Z)。底座扭转工况可反过来按类似方法处理。加载方式为立柱内加载,按1.2倍额定工作压力对顶梁和底座柱窝球面进行等效加载。1.4部件位移耦合整架分析要处理好部件间的连接关系,支架各部件通过销轴铰接,本文采用约束方程的方法对相邻铰孔圆周节点的部分自由度进行约束,释放了铰接件在铰点处关于Z轴的旋转自由度,使得部件间相对于铰接点可以自由旋转,同时协调了铰接两部件的其它位移(包括平移和转角位移),实现了各部件相关部位的位移耦合。2支架组件的张力分析2.1垫块应力集中分析按工况1进行加载,求解,利用POST1模块进行后处理,得到支架整体受力的VonMises等效应力云图及位移量云图,最大位移发生在左前柱窝后部100mm的6752节点处,最大位移量9.48mm,与试验结果吻合。分析应力时,为了便于查看结果,利用组元定义功能先将各部件分别定义为不同的组元,后处理时选择顶梁组元查看结果,结果显示前后垫块处有应力集中,应力远超出材料屈服极限,会产生塑性变形,依据经验,支架在井下实际使用过程中,很少有在垫块区域破坏的,因而,垫块处的应力集中可不做重点考虑,主要去分析危险断面处的应力状态。利用选择集功能将垫块应力集中区域的大值滤除,使得其它部位应力云图浓淡效果更加分明。顶梁的等效应力云图(图略)显示,支架顶梁前后柱窝之间的腹板和前柱窝装侧推千斤顶腹板处应力较高,应力值基本上分布在130～280MPa,在前柱窝前275mm处,后柱窝前300mm处,由于腹板开有侧推千斤顶安装工艺孔,削弱了承载截面,并有应力集中效应,此两处应力分别达到了572MPa和586MPa,安全系数只有0.94,由此可见,工艺孔的存在对顶梁整体强度的削弱是很明显的。通常情况下,当支架工作阻力达到4000kN以上时,侧推千斤顶常选用内供液式,以保证顶梁体的整体焊接强度。顶梁设计在此应该采取相应的补强措施,以适当提高安全系数。为进一步研究支架主肋板上的应力分布规律,以左侧内主肋5为例,利用选择集功能根据主肋5的位置将其选出,定义相应路径可以分别绘出主肋5的上、下边缘沿X轴方向的位置-应力曲线(图略)。主肋5上边缘的等效应力沿X轴方向变化趋势是:首先由左端开始快速由0升至170MPa极值点,再缓慢降至60MPa,到垫块附近,应力急剧变化,上升至563MPa极值点,然后快速下降,上边缘应力值基本上介于60～170MPa。主肋5下边缘的位置-应力曲线先由0缓升至30MPa,再快速升至190MPa,后在180～210MPa小幅波动,在3200mm处开始逐步回落,到最右端降至40MPa,下边缘应力值基本介于180～210MPa,整体应力水平较上边缘高。2.2力学性能按工况2处理位移边界条件和加载,分析计算,进行后处理,从底座的等效应力云图(图略)可以看出,底座过桥与后柱窝之间的主肋上边缘以及上盖板边缘处是高应力区,应力值在200～583MPa,最大应力值583MPa,位于左前柱窝内主肋与横肋板的交界处,对应截面为危险断面,此工况下底座安全系数为0.94,略低。设计采用贴W状加强板补强措施,即在过桥与主肋后部过渡圆弧之间的区域内,沿主肋的上边缘(高应力区)加贴25mm厚,100mm宽的加强板。再次模拟,等效应力最大值所处位置不变,但最大值降至376MPa,安全系数达到1.46,满足设计要求。3顶梁受力分析运用有限元法对液压支架的2种型式试验工况进行整架数值模拟