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摘 要：利用Pro/E软件建立ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的三维模型，并把模型导入有限元软件ABAQUS中进行分析，得出在顶梁偏载、底座扭转工况下支架的应力和位移分布情况，研究的结果可以为液压支架的设计和结构优化提供参考依据。
关键词：液压支架 三维建模 有限元分析 强度分析
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（a）-0083-02
液压支架是综合机械化回采工作面的支护设备，起支撑和保护的作用。液压支架的寿命和质量，与它在承载情况下的应力应变有很大的关系。在传统的液压支架设计过程中，一般是制造出一台样机，在反复的试验中得到液压支架各部位的应力应变的分布情况，但是这种结果误差比较大。本文采用Pro/E软件建立液压支架的三维模型，将模型导入到ABAQUS软件进行有限元分析，能够更好地模拟各种工况，得到支架在各种工况下的应力应变情况，大大缩短了支架的设计周期，节省了液压支架的设计成本。
1 液压支架的三维建模
1.1 液压支架的简化
在建模过程中，考虑到有限元分析过程中的网格划分、相互作用的设定和载荷的加载，要对液压支架进行简化。
因为立柱和千斤顶与支架的接触比较复杂，在建模过程中进行简化处理，用载荷代替。为节省建模时间，对顶梁、掩护梁和底座上的小孔和对支架受力影响不大的小块或小环进行简化处理。支架模型中不能出现小边或小缝，否则会影响后续有限元分析中的网格划分，影响到支架应力应变的分析结果，所以对这些小边或小缝也要进行简化处理。
1.2 液压支架各部构件的建模
液压支架包括顶梁、掩护梁、前后连杆、底座这几部分，分别对其进行建模。
在建模过程中，前后连杆和底座是关于中心对称的，因此在拉伸和旋转过程中，充分利用软件中的镜像模块，可以大大缩短建模时间，提高支架的建模效率。支架各部分建模如图2所示。
1.3 液压支架的装配
在Pro/E中对完成建模的支架各构件进行装配。装配过程中，构件与构件之间的间隙尺寸为5mm，构件与构件之間的连接设置为铰接。根据MT312-2000《液压支架通用技术条件》，在顶梁偏载、底座扭转工况下，支架试验高度为支架最低高度加上300mm，液压支架的最低高度是2500mm，所以把支架的分析高度定为2800mm。支架整体装配图如图3所示。
2 液压支架的整架有限元分析
2.1 检查支架整体模型
模型建好后，以“x_t”形式保存副本，导入到ABAQUS软件当中，然后对支架整架进行静力学分析。模型导入ABAQUS中后如图4所示。
模型导入后，整个支架会出现很多尺寸不够精确的地方，不精确尺寸会对整个分析的收敛性产生很大的影响，甚至对最后的应力分析结果也会产生很大影响，所以先对模型整体进行检查，将不精确的尺寸修改为精确尺寸。（如图4）
2.2 支架的属性设定
支架材料为低合金高强度合金钢Q460，属性设置过程中，假定支架材料是均匀的，各项同性的，其参数为：杨氏模量210000MPa；泊松比0.3。因为设定的是立柱和千斤顶对支架的工作阻力分别是3000kN和1318kN，支架自重可以忽略不计，所以不对材料密度设定。
在垫块的属性设置过程中，如果垫块与支架的属性差别过大，会在它们的接触面附件产生严重的应力集中，这种应力集中情况本不该出现，这就会影响到液压支架最后的应力分析结果。所以将垫块的属性设置为与支架相同。
2.3 支架的分析步设定和相互作用设定
分析步设定过程中，为了保证分析结果的收敛性，分为两步进行分析。第一步施加一个比较小的力，第二步设定施加额定载荷，两个分析步的最大增量步数都定为800，初始增量步大小定为0.02。输出部分只用输出应力、应变和位移即可。
进行互相作用设定过程中，把支架各部件之间的连接进行设定：顶梁与掩护梁、掩护梁与前后连杆、底座与前后连杆设定为耦合铰接；在顶梁和底座的柱窝处，将球心与球面设为刚性连接；将千斤顶的作用点与顶梁和掩护梁耳板的接触面设定为刚性连接。垫块与顶梁和底座之间的接触设为无摩擦接触，并且限制接触面两个方向的边界条件，代替摩擦。
2.4 支架的载荷加载和边界条件
载荷加载过程中，因为立柱和千斤顶都与水平面之间有夹角，其作用力的方向不可能是竖直方向，所以可以把作用力分解到两个方向上加载。其中，立柱与水平面夹角为80.93°，其作用力分解到x和y两个方向上分别是473KN和2962.5N；千斤顶与水平面夹角为14.14°，其作用力分解到x和y两个方向上分别是1278KN和322KN。垫块则设定为完全固定。
在对支架进行有限元分析的过程中，边界条件的处理对分析结果有很大的影响。在MT312-2000 液压支架通用技术条件中，对支架型式试验、强度试验规定了多种工况，实践表明，支架损坏最主要的原因是承受偏载和扭转载荷。所以本文以顶梁偏载、底座扭转工况为例，将模型导入到ABAQUS中分析支架各部分的受力情况。
2.5 支架的网格划分
网格划分要注意网格大小的确定。网格太大，则不能得到精确的分析结果；但网格太小，则会增大计算机的工作量，对计算机的要求也会更高。所以网格大小要合适，经过多次尝试，把网格大小定为70。因为支架结构比较复杂，所以采用自适应四面体网格，网格单元类型为标准线性四面体C3D4。网格划分好的支架如图5所示。
2.6 提交支架作业
网格划分好后，提交作业，对支架进行分析，得到支架整架的应力云图结果如图6所示。
图6中可以得到，液压支架在顶梁偏载、底座扭转工况下最大应力为352MPa，而Q460钢的屈服强度是460MPa，所以确定支架在这种工况下是安全的。
图7可以得到：最大应力处分布在顶梁没有垫块的一侧，顶梁没有垫块的一侧应力集中比较明显，建议提高此处材料的强度或厚度以提高安全性。
3 结语
本文用Pro/E和ABAQUS对两柱式液压支架进行了整架有限元分析，结果表明：
（1）在顶梁偏载、底座扭转的工况下，ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的最大应力值是352MPa，小于Q460的屈服强度460MPa，因此液压支架是安全的。
（2）分析表明，顶梁不受载的一侧应力集中明显，建议提高此处的材料强度或厚度以确保安全。
参考文献
[1] 范凯，张东杰，郑晓雯.基于ABAQUS的液压支架主体结构有限元分析[J].科技创新导报，2011，NO.36：67-68.
[2] 滕琦，钟江静.基于ABAQUS的液压支架有限元分析[J].矿山机械，2010，38（7）：19-21.
[3] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，2006.
[4] （美）David S.Kelley著；孙江宏，王庆五译，Pro/ENGINEER机械设计基础与实例教程[M].清华大学出版社，2008.
[5] 中华人民共和国煤炭行业标准. MT312-2000液压支架通用技术条件[J].国家煤炭工业局.
关键词：液压支架 三维建模 有限元分析 强度分析
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（a）-0083-02
液压支架是综合机械化回采工作面的支护设备，起支撑和保护的作用。液压支架的寿命和质量，与它在承载情况下的应力应变有很大的关系。在传统的液压支架设计过程中，一般是制造出一台样机，在反复的试验中得到液压支架各部位的应力应变的分布情况，但是这种结果误差比较大。本文采用Pro/E软件建立液压支架的三维模型，将模型导入到ABAQUS软件进行有限元分析，能够更好地模拟各种工况，得到支架在各种工况下的应力应变情况，大大缩短了支架的设计周期，节省了液压支架的设计成本。
1 液压支架的三维建模
1.1 液压支架的简化
在建模过程中，考虑到有限元分析过程中的网格划分、相互作用的设定和载荷的加载，要对液压支架进行简化。
因为立柱和千斤顶与支架的接触比较复杂，在建模过程中进行简化处理，用载荷代替。为节省建模时间，对顶梁、掩护梁和底座上的小孔和对支架受力影响不大的小块或小环进行简化处理。支架模型中不能出现小边或小缝，否则会影响后续有限元分析中的网格划分，影响到支架应力应变的分析结果，所以对这些小边或小缝也要进行简化处理。
1.2 液压支架各部构件的建模
液压支架包括顶梁、掩护梁、前后连杆、底座这几部分，分别对其进行建模。
在建模过程中，前后连杆和底座是关于中心对称的，因此在拉伸和旋转过程中，充分利用软件中的镜像模块，可以大大缩短建模时间，提高支架的建模效率。支架各部分建模如图2所示。
1.3 液压支架的装配
在Pro/E中对完成建模的支架各构件进行装配。装配过程中，构件与构件之间的间隙尺寸为5mm，构件与构件之間的连接设置为铰接。根据MT312-2000《液压支架通用技术条件》，在顶梁偏载、底座扭转工况下，支架试验高度为支架最低高度加上300mm，液压支架的最低高度是2500mm，所以把支架的分析高度定为2800mm。支架整体装配图如图3所示。
2 液压支架的整架有限元分析
2.1 检查支架整体模型
模型建好后，以“x_t”形式保存副本，导入到ABAQUS软件当中，然后对支架整架进行静力学分析。模型导入ABAQUS中后如图4所示。
模型导入后，整个支架会出现很多尺寸不够精确的地方，不精确尺寸会对整个分析的收敛性产生很大的影响，甚至对最后的应力分析结果也会产生很大影响，所以先对模型整体进行检查，将不精确的尺寸修改为精确尺寸。（如图4）
2.2 支架的属性设定
支架材料为低合金高强度合金钢Q460，属性设置过程中，假定支架材料是均匀的，各项同性的，其参数为：杨氏模量210000MPa；泊松比0.3。因为设定的是立柱和千斤顶对支架的工作阻力分别是3000kN和1318kN，支架自重可以忽略不计，所以不对材料密度设定。
在垫块的属性设置过程中，如果垫块与支架的属性差别过大，会在它们的接触面附件产生严重的应力集中，这种应力集中情况本不该出现，这就会影响到液压支架最后的应力分析结果。所以将垫块的属性设置为与支架相同。
2.3 支架的分析步设定和相互作用设定
分析步设定过程中，为了保证分析结果的收敛性，分为两步进行分析。第一步施加一个比较小的力，第二步设定施加额定载荷，两个分析步的最大增量步数都定为800，初始增量步大小定为0.02。输出部分只用输出应力、应变和位移即可。
进行互相作用设定过程中，把支架各部件之间的连接进行设定：顶梁与掩护梁、掩护梁与前后连杆、底座与前后连杆设定为耦合铰接；在顶梁和底座的柱窝处，将球心与球面设为刚性连接；将千斤顶的作用点与顶梁和掩护梁耳板的接触面设定为刚性连接。垫块与顶梁和底座之间的接触设为无摩擦接触，并且限制接触面两个方向的边界条件，代替摩擦。
2.4 支架的载荷加载和边界条件
载荷加载过程中，因为立柱和千斤顶都与水平面之间有夹角，其作用力的方向不可能是竖直方向，所以可以把作用力分解到两个方向上加载。其中，立柱与水平面夹角为80.93°，其作用力分解到x和y两个方向上分别是473KN和2962.5N；千斤顶与水平面夹角为14.14°，其作用力分解到x和y两个方向上分别是1278KN和322KN。垫块则设定为完全固定。
在对支架进行有限元分析的过程中，边界条件的处理对分析结果有很大的影响。在MT312-2000 液压支架通用技术条件中，对支架型式试验、强度试验规定了多种工况，实践表明，支架损坏最主要的原因是承受偏载和扭转载荷。所以本文以顶梁偏载、底座扭转工况为例，将模型导入到ABAQUS中分析支架各部分的受力情况。
2.5 支架的网格划分
网格划分要注意网格大小的确定。网格太大，则不能得到精确的分析结果；但网格太小，则会增大计算机的工作量，对计算机的要求也会更高。所以网格大小要合适，经过多次尝试，把网格大小定为70。因为支架结构比较复杂，所以采用自适应四面体网格，网格单元类型为标准线性四面体C3D4。网格划分好的支架如图5所示。
2.6 提交支架作业
网格划分好后，提交作业，对支架进行分析，得到支架整架的应力云图结果如图6所示。
图6中可以得到，液压支架在顶梁偏载、底座扭转工况下最大应力为352MPa，而Q460钢的屈服强度是460MPa，所以确定支架在这种工况下是安全的。
图7可以得到：最大应力处分布在顶梁没有垫块的一侧，顶梁没有垫块的一侧应力集中比较明显，建议提高此处材料的强度或厚度以提高安全性。
3 结语
本文用Pro/E和ABAQUS对两柱式液压支架进行了整架有限元分析，结果表明：
（1）在顶梁偏载、底座扭转的工况下，ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的最大应力值是352MPa，小于Q460的屈服强度460MPa，因此液压支架是安全的。
（2）分析表明，顶梁不受载的一侧应力集中明显，建议提高此处的材料强度或厚度以确保安全。
参考文献
[1] 范凯，张东杰，郑晓雯.基于ABAQUS的液压支架主体结构有限元分析[J].科技创新导报，2011，NO.36：67-68.
[2] 滕琦，钟江静.基于ABAQUS的液压支架有限元分析[J].矿山机械，2010，38（7）：19-21.
[3] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，2006.
[4] （美）David S.Kelley著；孙江宏，王庆五译，Pro/ENGINEER机械设计基础与实例教程[M].清华大学出版社，2008.
[5] 中华人民共和国煤炭行业标准. MT312-2000液压支架通用技术条件[J].国家煤炭工业局.