基于SolidWorks和ANSYS的支架頂梁應力分析

　　針對支架頂梁的結構特點(diǎn)和性能要求，采用SolidWorks三維建模和ANSYS結構性能分析相結合的方法，用有限元結構分析方法模擬并獲取了支架頂梁的應力分布數據，找出了其危險截面位于支架頂梁與立柱連接處附近，提出了優(yōu)化結構性能的改進(jìn)意見(jiàn)，為進(jìn)一步分析支架頂梁的結構強度和優(yōu)化設計提供了理論依據。

　　液壓支架是煤礦綜合機械化采煤工作面的重要設備，其主要作用是支撐和控制工作面頂板，隔離采空區，維護安全作業(yè)空間，以及推移工作面的采運設備。由于液壓支架結構復雜，負載變化大，工作環(huán)境惡劣，有些部件在工作使用中經(jīng)常因過(guò)載而損壞，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患。根據 GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架　第一部分：通用技術(shù)條件》規定，液壓支架在出廠(chǎng)前應進(jìn)行強度試驗，但因其試驗只能檢測有限點(diǎn)的應力狀況，一些應力集中區域由于安裝應變片困難而無(wú)法檢測其實(shí)際應力大小。在此背景下，借助計算機有限元模擬技術(shù)，對液壓支架的主要部件進(jìn)行虛擬樣機模擬試驗，掌握總體及局部細節的應力狀況，已逐漸成為強化試驗檢測手段，提高結構設計可靠性，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率的重要途徑。筆者利用三維建模軟件 SolidWorks 和大型有限元分析軟 ANSYS，對支架頂梁進(jìn)行三維實(shí)體建模及有限元應力分析，并在模擬的基礎上，尋找其工作危險截面，對支架頂梁結構的設計優(yōu)化和保證煤礦安全生產(chǎn)具有一定的理論指導意義和工程實(shí)際應用價(jià)值。

1、三維實(shí)體建模

　　支架為某公司的產(chǎn)品，頂梁是由各種鋼板焊接而成的三維箱形結構，其與立柱的連接采用銷(xiāo)軸鉸接方式。筆者采用三維建模軟件對支架頂梁進(jìn)行實(shí)體建模。ANSYS 軟件可建立簡(jiǎn)單的二維或三維物理模型，但對比較復雜的工程實(shí)際問(wèn)題，其三維建模能力較弱。因此選擇建模功能更加強大的 SolidWorks 軟件對支架頂梁進(jìn)行實(shí)體建模，然后再將模型數據導入ANSYS 軟件中。

　　為了保證導入 ANSYS 后的模型能夠正確有效且無(wú)變形，在 SolidWorks 建模時(shí)要注意保持實(shí)體特征的獨立性，要求在創(chuàng )建實(shí)體特征時(shí)不能合并實(shí)體。此外，根據液壓支架試驗工況及支架頂梁受力情況，對支架頂梁進(jìn)行結構簡(jiǎn)化，去掉對結構強度影響較小的側板、圓角、倒角及小孔等輔助特征。模型創(chuàng )建成功之后，將零件圖保存為 .xt 格式，并將模型數據導入ANSYS 軟件。導入 ANSYS 后的支架頂梁三維實(shí)體模型如圖 1 所示。

圖1　支架頂梁三維實(shí)體模型

4、結論

　　利用SolidWorks和ANSYS 軟件對支架頂梁進(jìn)行三維實(shí)體建模和應力數值計算，得到了在Von Mises準則下的主應力分布，并得出以下結論。

　　(1) 利用SolidWorks和ANSYS 軟件可方便地獲取支架頂梁受載荷作用下的應力分布，找出其結構的危險截面，可以為支架頂梁的理論分析和實(shí)際應用提供參考依據。

　　(2) 從結果分析中可知，支架頂梁最大等效應力位置位于支架頂梁與立柱連接處。為了保證支架頂梁的可靠性，該位置應采用強度較高的鋼材，如WH70高強度鋼，其附近區域應選用先進(jìn)焊接工藝和優(yōu)質(zhì)焊條。

　　(3) 借助計算機有限元模擬技術(shù)，對液壓支架的主要部件進(jìn)行虛擬樣機模擬試驗，掌握總體及局部細節的應力狀況，可提前發(fā)現液壓支架結構件的薄弱環(huán)節，有利于提出改進(jìn)和優(yōu)化措施。