基于有限元的液压支架强度可靠性的优化分析

2021-09-21赵强

机械管理开发 2021年8期

赵强

（西山煤电机电厂，山西太原 030053）

引言

煤炭开采中液压支架首要任务是顶板的控制，保证煤炭开采的高效和安全[1]。因此，考虑液压支架的可靠性是其结构设计的基础条件。为了更好地获得液压支架可靠性分析，本文利用ANSYS 软件对型号为ZF8000/22/35的液压支架进行建模分析，计算可靠性其及其灵敏度。选取相应的液压支架强度和可靠性分析软件，对液压支架的强度和可靠性进行了测试，对影响液压支架可靠性部分变量进行模拟，同时对各参数的灵敏度进一步分析和确认，从而为液压支架的结构设计优化提供参考。

1 液压支架力学条件分析

液压支架在煤矿井下综采工作面的应用主要是发挥顶板支护作用，保证作业空间的安全，液压支架主要承受的外力是老顶板地层压力和顶板地层压力。随着开采的推进，采煤机不断向前移动，新产生的顶板下沉，使前端的液压支架支撑载荷增加，下腔静脉压力上升至安全阀设定点达到受力平衡[2]。煤层、顶梁和顶板的地质条件复杂，接触状态无法确定，影响外荷载的主要因素有对称集中载荷和非对称集中载荷[3]。

2 有限元模型的建立

2.1 划分网格

本次建模通过使用HyperMesh 软件，采用六面体单元结构对液压支架进行网格划分，由于液压支架的整体结构具有对称性，因此可以建立对称单元布局，生成限元模型。该模型最终确定为300 044 个节点，219 413 个单元，包括固定基础产生70 408 个单元和96 527 个节点，前连杆产生24 782 个单元和33 404 个节点，在连杆之后产生8 202 个单元和11 865 个节点，覆盖梁产生43 304 个单元和61 026 个节点；屋面梁产生63 909 个单元和87 486 个节点。

2.2 外载荷

根据实际应用经验，本次建模分析外载荷F的数值大小为支撑柱额定工作阻力的1.2 倍，比较符合实际情况。撑柱额定工作阻力Q 为8 000 N，则F=1.2Q=1.2×8 000=9 600 kN。在建立的模型中荷载沿垂直方向施加在液压柱的横截面上。由于支架受力情况较多，本文仅以液压支架承受基底扭转、顶板梁部分受力情况为例进行分析，对提高采煤效率具有重要意义。因此，液压支架的结构设计对可靠性进行细致分析是一个最基本的设计要求[4]。

3 可靠性分析

利用ANSYS 软件对液压支架的可靠性进行了分析。

3.1 设计参数过程

此次建模分析是在液压支架静载支撑条件下进行的，是机械静强度可靠性分析。这里要求确认的必要条件参数包括载荷、基本外形尺寸和材料性能。本次建模模拟分析液压支架在重载受力环境中的可靠性过程中，排除基本外形尺寸的随机性造成的影响，主要以材料性能参数和静载荷的分布为模拟条件因素。

3.2 静载参数的分布

在液压支架可靠性设计标准的要求中，单符合需要被荷载统计代替，将载荷值进行实际现场采样测量，利用样本概率密度函数的理论进行估算处理，得出一定的特定条件下液压柱所受符合值的大小范围。经过大量的测量和统计，结果显示液压柱所受静态载荷形式呈现正态分布。

3.3 材料性能参数的分布

材料性能都是恒定的。在可靠性分析中，由于机械加工、去除应力、熔炼、调质处理、轧制等各个制造工序产生的随机因素，其最后产生的力学性能(如延伸率、抗压强度、屈服强度、硬度、弹性模量、剪切模量、刚度、疲劳强度等)是随机变量，具有一定的分布规律。通过大量的实验过程早已认定所有金属材料的剪切模量、弹性模量、延伸率、抗拉强度、屈服强度、泊松比均可以很好地接近或满足正态分布。

确定了输入输出参数，分析了液压支架在基础扭转、屋面梁局部荷载作用下的可靠性能，根据分析结果，在荷载作用下，支座应力主要是由柱支架垂直方向力引起的，因此本文确定了静载荷F1、F4、F5、F8、弹性模量E、泊松比作为随机输入参数。

3.4 指定分析文件

通过软件HyperMesh 生成了ANSYS 模型受力点所对应的有限元命令流，对命令流进行有效的计算和修改可以生成和不断完善液压支架的有限元模型。当计算完成时，所设定的参数值为：泊松比λ=0.3，外载荷F1=-15 474 N、F2=-2 013 N、F3=-29 N、F4=-13 446 N、F5=15 476 N、F6=-2 015 N、F7=27 N、F8=13 449 N，弹性模量E=2.08e5 MPa，材料屈服极限σ=424 MPa，节点编号为47 807、50 243、178 089 VonMises 应力参数为str47 807，str50 243，str178 089，生成分析文件。

其中，F1、F5分别代表基础上的后柱压力和上梁的压力，F2、F3、F6、F7分别代表基座上的前柱和水平平面上的顶梁的压力分量，F4和F8代表前柱在垂直方向上对基梁和顶梁的压力分量。最后，在PDS 模块中生成的指定文件是分析文件。

3.5 输入样本分析

此次建模采用拉丁方抽样技术，即采用抽样尾质的概率分布进行计算，该方式可以使采样分布与实际相符，减少采样数量，使分析效率提高。设定采样分析周期为30 次，如图1 所示，Y 轴纵坐标为样本值，X 轴为周期时间，曲线表示概率设计过程中F1的历史样本值。

图1 F1的历史样本图

图2 是F1的平均样本图，中间曲线表示样本值平均值，上下曲线分别表示样本案例中0.95 置信区间的上下限。当样本量足够时，样本均值应逐渐收敛到一定值，样本均值曲线应接近水平，所以采用随机抽样的形式，水平线上下的样本均值曲线可以正确显示循环次数和样本数量能否达到所要求的精度。上图显示，当取样完成30 个循环时，均值曲线和上下限曲线接近水平和并呈现光滑状态，说明30 次循环能够满足建模分析的精度要求。