張 欣

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系, 江蘇 徐州 221006)

基于ANSYS Workbench的液壓支架頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 欣

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系, 江蘇 徐州 221006)

以掩護(hù)式支架頂梁為研究對(duì)象，對(duì)其在5種工況條件下的虛擬強(qiáng)度進(jìn)行了分析，由分析結(jié)果確定以筋板及蓋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而建立了頂梁的優(yōu)化函數(shù)，并以優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為變化參數(shù)建立頂梁的參數(shù)化模型，利用ANSYS Workbench的DesignXplorer模塊進(jìn)行了多工況條件下的頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)。

頂梁;虛擬強(qiáng)度；優(yōu)化函數(shù)；參數(shù)化；DesignXplorer

頂梁是液壓支架的重要部件，在采煤工作面的復(fù)雜工況下，頂梁能夠承接頂板巖石載荷，為工作面提供足夠的安全空間。目前許多學(xué)者對(duì)于頂梁在各種工況下的受力情況進(jìn)行了較為深入的研究，利用有限元分析方法可以獲得頂梁在各種工況下的應(yīng)力云圖，明確頂梁結(jié)構(gòu)的薄弱位置，但是對(duì)如何改進(jìn)頂梁結(jié)構(gòu)，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。本文利用有限元分析平臺(tái)ANSYS Workbench對(duì)頂梁進(jìn)行了虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)，并針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 頂梁虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》對(duì)液壓支架主體結(jié)構(gòu)件加載試驗(yàn)的要求，本文以掩護(hù)式支架ZY6800/19/40的頂梁為研究對(duì)象，分別對(duì)其在5種工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，包括兩端加載、縱向中間加載、對(duì)角加載、扭轉(zhuǎn)加載、偏心加載。

圖1 頂梁三維模型

本文首先利用CAD軟件SolidWorks建立頂梁的三維模型，如圖1所示。模型中包含大量倒角、圓孔、焊接坡口等結(jié)構(gòu)特征。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，這些結(jié)構(gòu)特征會(huì)嚴(yán)重降低有限元分析的計(jì)算效率，使計(jì)算結(jié)果容易出現(xiàn)奇異性,所以本文對(duì)液壓支架頂梁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化原則如下：(1)在焊縫質(zhì)量得到保證的情況下，焊縫強(qiáng)度一般不低于母材強(qiáng)度，因此在有限元分析時(shí)忽略焊縫的影響。(2)略去工藝結(jié)構(gòu)、對(duì)受力影響不大的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)等。(3)忽略對(duì)支架受力影響不大的零件，如擋銷座、吊環(huán)和管夾等。

將簡(jiǎn)化后的頂梁模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench平臺(tái)中，首先定義材料屬性。ZY6800/19/40型液壓支架的主要材料為Q460、Q550合金鋼，金屬材料的彈性模量、材料密度、泊松比基本相同，經(jīng)查設(shè)計(jì)手冊(cè)確定材料的彈性模量、密度和泊松比，并在ANSYS Workbench中定義材料的屬性為：彈性模量E=210GPa，密度ρ=7 850kg/m3，泊松比μ=0.3，然后將材料屬性定義到模型零件中。

頂梁模型導(dǎo)入ANSYS Workbench后，零件之間裝配關(guān)系需要重新定義。ANSYS Workbench中零部件關(guān)系以接觸的方式進(jìn)行處理，目前ANSYS Workbench中提供了5種接觸類型，分別是Bonded(粘結(jié))，No Separation(不分離)，F(xiàn)rictionless(無(wú)摩擦)，Rough(粗糙的)，F(xiàn)rictional(有摩擦)[2]。頂梁的實(shí)際裝配關(guān)系主要是面與面的焊接關(guān)系，零件間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在有限元計(jì)算中忽略焊縫影響，將頂梁各零件間的接觸設(shè)置為bound(粘結(jié))，這種情況下頂梁是一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)件。

由于頂梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣既可以減少網(wǎng)格數(shù)量,也可以提高網(wǎng)格的適應(yīng)性。網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)關(guān)鍵部位(銷軸連接部位、應(yīng)力較大部位)進(jìn)行局部的網(wǎng)格細(xì)化。

液壓支架的壓架試驗(yàn)是在整架模型的基礎(chǔ)上對(duì)主體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行的加載試驗(yàn)，本文研究的頂梁虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)是在對(duì)液壓支架進(jìn)行壓架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。頂梁受力主要來(lái)自4個(gè)方面：工作面圍巖的壓力載荷、立柱支撐載荷、平衡千斤頂、掩護(hù)梁對(duì)頂梁的作用力。通過(guò)墊塊的放置來(lái)模擬不同工況條件下圍巖的壓力載荷，并將墊塊與頂梁間的接觸處理成粘結(jié)接觸；立柱的支撐載荷，在分析時(shí)將其分解,然后加載到頂梁柱帽上；對(duì)液壓支架進(jìn)行虛擬壓架實(shí)驗(yàn)時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁及平衡千斤頂?shù)南嗷プ饔昧儆趦?nèi)力[3]。對(duì)頂梁?jiǎn)为?dú)分析時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁及平衡千斤頂?shù)南嗷プ饔昧儆谕饬?。本文利用液壓支架虛擬壓架試驗(yàn)，分別求解了掩護(hù)梁和平衡千斤頂與頂梁的作用力，并加載到頂梁的相應(yīng)位置上。液壓支架虛擬壓架試驗(yàn)不是本文研究重點(diǎn)，求解過(guò)程不做詳述。完成后的頂梁有限元分析模型如圖2所示。

圖2 頂梁有限元分析模型

頂梁有限元分析的前處理完成后，可以進(jìn)行有限元求解。得到部分工況條件下的頂梁應(yīng)力云圖如圖3～圖7所示。

圖3 頂梁兩端加載應(yīng)力云圖

2 頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

通過(guò)頂梁虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)可以得到頂梁準(zhǔn)確、全面的應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖上可以發(fā)現(xiàn)頂梁受力的薄弱位置，為了提高頂梁的可靠性，本文對(duì)頂梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。頂梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保證頂梁各部分應(yīng)力小于頂梁材料屈服極限的同時(shí)，盡量減少頂梁質(zhì)量而降低制作成本。

圖4 頂梁扭轉(zhuǎn)加載應(yīng)力云圖

圖5 頂梁偏心加載應(yīng)力云圖

圖6 頂梁縱向中間加載應(yīng)力云圖

圖7 頂梁對(duì)角加載應(yīng)力云圖

首先建立頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件。本文研究的頂梁結(jié)構(gòu)是由上蓋板、下蓋板和立筋等焊接而成的對(duì)稱三腔室結(jié)構(gòu)，截面形狀如圖8所示。由各工況下頂梁的應(yīng)力云圖可以看出，除墊塊位置應(yīng)力較大之外，頂梁柱帽附近筋板應(yīng)力偏大，所以本文選擇頂梁筋板厚度、高度，上蓋板厚度、下蓋板厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，由于頂梁的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此只需優(yōu)化一側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)即可[4]。

圖8 頂梁截面圖

頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件包括結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度兩方面要求。結(jié)構(gòu)方面，每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有自己的可行域，以保證結(jié)構(gòu)的合理性。在企業(yè)生產(chǎn)中，鋼板厚度屬于一個(gè)系列，因此設(shè)計(jì)變量可行域是離散的。強(qiáng)度方面，應(yīng)力值應(yīng)小于材料的屈服極限，以保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

設(shè)計(jì)變量：X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T

約束條件：σ<σs

X1∈{16,18,20,25}

X2∈{16,18,20,25}

X3∈{418,428,438,448,458,468,478}

X4∈{20,25}

X5∈{25,30}

X6∈{16,18,20,25}

2.2頂梁參數(shù)化模型的建立

頂梁參數(shù)化模型的建立是頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，ANSYS Workbench對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的計(jì)算都要首先更新頂梁的參數(shù)化模型，然后將模型導(dǎo)入分析模塊DesignXplorer進(jìn)行分析優(yōu)化。頂梁參數(shù)化模型的建立須遵守以下原則：(1)每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在可行域內(nèi)變化時(shí)，保證頂梁的寬度和長(zhǎng)度方向尺寸不能改變；(2)所建立的模型必須具有完整約束，不能存在欠約束的情況；(3)應(yīng)對(duì)頂梁模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，并保證模型的對(duì)稱性。

頂梁筋板的厚度、筋板的高度、上蓋板的厚度、下蓋板的厚度為可變參數(shù)，其初始值見(jiàn)表1。

2.3頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文利用ANSYS Workbench平臺(tái)的DesignXplorer模塊進(jìn)行頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。頂梁參數(shù)化模型建立之后，將模型導(dǎo)入分析模塊進(jìn)行虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)，系統(tǒng)根據(jù)材料密度計(jì)算模型質(zhì)量，選擇將模型質(zhì)量輸出，并在DesignXplorer模塊設(shè)定質(zhì)量最小為優(yōu)化的目標(biāo)。然后在DesignXplorer模塊的Design of Experiments項(xiàng)目中選定筋板的厚度、筋板高度、上蓋板的厚度、下蓋板的厚度為設(shè)計(jì)變量，設(shè)定變量類型為離散型，并輸入?yún)?shù)范圍。

表1 頂梁參數(shù)化模型初始值

本文研究的頂梁虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)的加載方式有5種，在對(duì)頂梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中這5種工況必須同時(shí)滿足。在ANSYS Workbench的項(xiàng)目圖解中添加5個(gè)靜力學(xué)分析項(xiàng)目，如圖9所示，這5個(gè)分析項(xiàng)目同時(shí)使用一個(gè)分析模型。5個(gè)靜力學(xué)分析項(xiàng)目分別對(duì)頂梁進(jìn)行不同工況下的分析，輸出頂梁筋板上的最大應(yīng)力，然后設(shè)定其小于材料的屈服極限。

圖9 多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

按照質(zhì)量最小的要求，在滿足約束條件的設(shè)計(jì)點(diǎn)中選擇出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2。從優(yōu)化結(jié)果上看，頂梁質(zhì)量減輕了124.9kg，為總質(zhì)量的3.1%，且5種工況下依然滿足強(qiáng)度要求。為驗(yàn)證頂梁優(yōu)化結(jié)果的正確性，本文按照優(yōu)化結(jié)果重建了頂梁的三維模型，并對(duì)液壓支架進(jìn)行了整架虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，頂梁在5種工況下滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS Workbench分析平臺(tái)，對(duì)液壓支架頂梁在5種工況狀態(tài)下的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)頂梁進(jìn)行了多工況狀態(tài)下的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使頂梁在能夠滿足強(qiáng)度要求的前提下，有效減輕了整體質(zhì)量，得到了較滿意的結(jié)果。

表2 頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

[1] 陳艷.基于數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)的液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2006,27(10):51-53.

[2] 萬(wàn)麗榮,戴漢政,張?chǎng)?基于Cosmos/Works液壓支架整架有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2009,30(10):81-83.

[3] 孫國(guó)順.大傾角綜放工作面液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].青島：山東科技大學(xué),2008.

[4] 姚向豫.液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2011.

OptimizationDesignofHydraulicSupportTopBeamBasedonANSYSWorkbench

ZHANG Xin

(Xuzhou Vocational College of Bioengineering, Jiangsu Xuzhou, 221006, China)

Taking top beam of shield type support as a research object, it analyzes this virtual strength in five kinds of working conditions. It defines the structure parameters of stiffened plate and cover plate as the design variables, realizes the optimization design of beam structure. Using DesignXplorer module of ANSYS Workbench, it illustrates the process of optimization for top beam structure under multi working conditions.

Top Team; Virtual Strength; Optimization Function; Parametric; DesignXplorer

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.019

2014-08-01

張欣(1977—)，女，河北衡水人，徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事機(jī)械制造、液壓等方面的教學(xué)與科研工作。

TH122

A

2095-509X(2014)09-0079-04