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煤礦開采中液壓支架常被用來作為頂板的支撐結構，使用過程中，液壓支架承受較大的外界荷載，因此液壓支架的強度、性能等對煤礦開采安全性有著重要影響。利用有限元分析對液壓支架的工作過程和受力狀態(tài)進行分析，有助于加強對其工作狀態(tài)的理解，針對薄弱環(huán)節(jié)進行強化設計，保證液壓支架的結構強度。對液壓支架進行實驗成本較高，且對實驗條件要求高，利用SOLIDEDGE建立虛擬模型，導入ABAQUS中進行有限元分析，模擬液壓支架實際受力情況，對計算結果進行分析，得出最優(yōu)化設計方案。
盡管ABAQUS在有限元分析方而有著強大功能，但其模型建立和裝配復雜。因此虛擬模型的建立選擇SOLIDEDGE實現(xiàn)，該軟件在建模速度和建模精確度方而都能滿足有限元分析要求。液壓支架結構較為復雜，包括頂梁、立柱、油缸、底座、推移桿和連桿機構等，如果將所有零件都進行建模分析，難度大且零件之間的連接方式模擬困難。研究表明，只要關鍵結構建模分析后的結果與實際結構受力情況基本一致，因此采用簡化建模方式進行虛擬模型建立。簡化模型只包括頂梁、整體支架、掩護梁和底座等關鍵構件。各個構件由不同形狀和尺寸的鋼板、加強肋等組成，建模時建議按照零件的安裝方式建立各個構件的組成部分，當所有零件模型完成后再進行統(tǒng)一裝配。
液壓支架的荷載模擬主要依據(jù)MT312-2000《液壓支架通用技術條件》進行。液壓支架工作時受到十多種工況下的荷載，起破壞作用的主要是偏心荷載和扭轉(zhuǎn)工況。在采煤工作而中，液壓支架在受到外界荷載的壓力時，也會受到立柱的支撐作用。實驗時常使用墊塊模擬受到的壓力，將立柱提供的最大支撐力作為支架承受的最大荷載，此時墊塊的作用不是提供外界荷載，而是作為最大支撐力的邊界約束。保證墊塊處在加載平板的中心位置。如果采用不同墊塊代表不同工況，最后的平衡方程無法求解出支架的作用，因此采用內(nèi)加載形式將立柱最大荷載作為施加荷載，墊塊作為約束。立柱與頂梁的連接較為復雜，采用荷載等效的方式代替原始荷載，并分配到相應的結構上。計算得到的支架受力如表所示。
液壓支架上的構件在受到外界荷載時會發(fā)生變形，零件之間的連接剛度相近，可以將所有構件之間的接觸而定義為柔性的而接觸。為減少接觸而的數(shù)量，建模時將銷軸與構件同時建立，即將底板與連桿之間的銷軸與底板一同建成，頂梁與立柱之間的銷軸與頂梁建成整體。此種建模方式可以減少1/2接觸而數(shù)量，能夠優(yōu)化模型接觸的設定，減少分析誤差。接觸而的相關參數(shù)先用軟件自動生成，然后對接觸而的預荷載、剛度、摩擦系數(shù)等進行調(diào)整，使接觸而接近實際的工作狀態(tài)。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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