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液壓支架作為井下采掘工作面的重要支護(hù)設(shè)備，主要用于支護(hù)頂板、防止頂板跨落，其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)于采煤效率和施工人員及設(shè)備的安全性具有極大的影響作用。通過(guò)對(duì)液壓支架三維參數(shù)化建模及有限元分析，使液壓支架滿(mǎn)足其應(yīng)用要求。目前許多三維設(shè)計(jì)軟件都可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，如UG、SOLIDWORKS、CATA等，本文主要運(yùn)用Pro/E對(duì)液壓支架進(jìn)行三維實(shí)體建模，并運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)分體頂梁柔性支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。
液壓支架的構(gòu)件主要由頂梁、底座、伸縮梁、尾梁、立柱、插板及油缸組成。 在建模過(guò)程中分組焊件和組裝件兩大類(lèi)進(jìn)行建模，組焊件各部分之間無(wú)相對(duì)位置變動(dòng)，大部分由鋼板或圓管焊接而成；組裝件需先設(shè)計(jì)出各個(gè)構(gòu)件，然后按照各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系和聯(lián)接方式進(jìn)行裝配。Pro/E的建模是基礎(chǔ)特征的建模，建模前應(yīng)對(duì)各個(gè)構(gòu)件的特征進(jìn)行分析，如結(jié)構(gòu)形狀及各個(gè)特征之間的相互關(guān)系等。應(yīng)用Pro/E中的旋裝、拉伸、掃描、混合等創(chuàng)建各個(gè)零件，并在基礎(chǔ)特征上進(jìn)行復(fù)制、陣列、鏡像等，在不影響液壓支架整體性能和特征分析的基礎(chǔ)上，可以對(duì)倒角、孔等進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，提高分析效率。
在Pro/E的組件中完成各個(gè)構(gòu)件的裝配，根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的約束關(guān)系，采用不同的裝配方式。在裝配過(guò)程中把底座作為液壓支架的基礎(chǔ)構(gòu)件，然后根據(jù)2個(gè)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如對(duì)齊、匹配、固定等進(jìn)行裝配，得到的液壓支架整體裝配圖，如圖1所示。
應(yīng)用Pro/E與ANSYS之間的數(shù)據(jù)接口，將在Pro/E中建立的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS中，對(duì)液壓支架分體頂梁柔性支架進(jìn)行有限元分析。
液壓支架網(wǎng)格劃分前需要對(duì)其單元屬性進(jìn)行定義，單元屬性通常包括單元類(lèi)型和材料特性。
①單元類(lèi)型 由于分體頂梁柔性液壓支架的實(shí)體模型比較復(fù)雜，選擇實(shí)體單元Solid92；
②材料特性 常見(jiàn)的材料特性包括彈性模量、泊松比、密度、比熱、熱膨脹系數(shù)等。分體頂梁為整體焊接結(jié)構(gòu)，大部分采用屈服強(qiáng)度為340 MPa的16Mn鋼板，局部采用屈服極限為785 MPa的40Cr，模型選用結(jié)構(gòu)線(xiàn)彈性各向同性材料， 彈性模量2.06×e5MPa，泊松比0.3。
應(yīng)用自由網(wǎng)格劃分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的液壓支架如圖2所示。
對(duì)分體頂梁柔性支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要分析其頂梁、底座和彈性導(dǎo)向裝置頂梁兩端集中載荷強(qiáng)度試驗(yàn)變形和受力。
通過(guò)有限元分析，得到頂梁兩端加載的位移和受力云圖如圖3和圖4所示，可以看出頂梁兩端加載時(shí)在前柱窩處的表面應(yīng)力較大，支架在前柱窩附近的變形和應(yīng)力較大，其值為156.372 MPa，與傳統(tǒng)計(jì)算的值156.23 MPa 基本吻合，并且各部件中的最大應(yīng)力為274.276 MPa，小于鋼板的極限許用應(yīng)力309 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
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