基于ANSYS  Workbench的液压支架顶梁优化设计

张欣

(徐州生物工程职业技术学院 机械系, 江苏 徐州221006)

    以掩护式支架顶梁为研究对象，对其在5种工况条件下的虚拟强度进行了分析，由分析结果确定以筋板及盖板的结构参数为设计变量进行顶梁结构的优化设计，进而建立了顶梁的优化函数，并以优化设计变量为变化参数建立顶梁的参数化模型，利用ANSYS Workbench的DesignXplorer模块进行了多工况条件下的顶梁优化设计。

    顶梁是液压支架的重要部件，在采煤工作面的复杂工况下，顶梁能够承接顶板岩石载荷，为工作面提供足够的安全空间。目前许多学者对于顶梁在各种工况下的受力情况进行了较为深入的研究，利用有限元分析方法可以获得顶梁在各种工况下的应力云图，明确顶梁结构的薄弱位置，但是对如何改进顶梁结构，主要依据经验，无法进行最优化设计［1］。本文利用有限元分析平台ANSYS Workbench对顶梁进行了虚拟强度试验，并针对分析结果进行顶梁结构的优化设计。

1顶梁虚拟强度试验

    根据《煤矿用液压支架通用技术条件》对液压支架主体结构件加载试验的要求，本文以掩护式支架ZY6800/19/40的顶梁为研究对象，分别对其在5种工况下的受力状态进行有限元分析，包括两端加载、纵向中间加载、对角加载、扭转加载、偏心加载。

图1顶梁三维模型

    本文首先利用CAD软件SolidWorks建立顶梁的三维模型，如图1所示。模型中包含大量倒角、圆孔、焊接坡口等结构特征。在进行有限元分析时，这些结构特征会严重降低有限元分析的计算效率，使计算结果容易出现奇异性,所以本文对液压支架顶梁模型进行简化。简化原则如下：（1）在焊缝质量得到保证的情况下，焊缝强度一般不低于母材强度，因此在有限元分析时忽略焊缝的影响。（2）略去工艺结构、对受力影响不大的小孔及小尺寸结构等。（3）忽略对支架受力影响不大的零件，如挡销座、吊环和管夹等。

    将简化后的顶梁模型导入到ANSYS Workbench平台中，首先定义材料属性。ZY6800/19/40型液压支架的主要材料为Q460、Q550合金钢，金属材料的弹性模量、材料密度、泊松比基本相同，经查设计手册确定材料的弹性模量、密度和泊松比，并在ANSYS Workbench中定义材料的属性为：弹性模量E=210GPa，密度=7 850kg/m3，泊松比=0.3，然后将材料属性定义到模型零件中。

    顶梁模型导入ANSYS Workbench后，零件之间装配关系需要重新定义。ANSYS Workbench中零部件关系以接触的方式进行处理，目前ANSYS Workbench中提供了5种接触类型，分别是Bonded（粘结），No Separation（不分离），Frictionless（无摩擦），Rough（粗糙的），Frictional（有摩擦）［2］。顶梁的实际装配关系主要是面与面的焊接关系，零件间不存在相对运动，在有限元计算中忽略焊缝影响，将顶梁各零件间的接触设置为bound（粘结），这种情况下顶梁是一个整体的结构件。

    由于顶梁结构的复杂性，本文采用自动划分法进行网格划分，这样既可以减少网格数量,也可以提高网格的适应性。网格划分完成后，对关键部位......

作者简介：张欣（1977—），女，河北衡水人，徐州生物工程职业技术学院讲师，主要从事机械制造、液压等方面的教学与科研工作。

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