浅析ansys workbench的液压支架顶梁优化设计

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1、2014年9月机械设计与制造工程Sep．2014第43卷第9期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．9DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．09．019基于ANSYSWorkbench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)摘要：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项梁结构的优化设计，进而建立了顶梁的优化函数，并以优化

2、设计变量为变化参数建立顶梁的参数化模型，利用ANSYSWorkbench的DesignX．plorer模块进行了多工况条件下的顶梁优化设计。关键词：顶梁；虚拟强度；优化函数；参数化；DesignXplorer中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)09—0079—04顶梁是液压支架的重要部件，在采煤工作面的率，使计算结果容易出现奇异性，所以本文对液压复杂工况下，顶梁能够承接顶板岩石载荷，为工作支架顶梁模型进行简化。简化原则如下：(1)在焊面提供足够的安全空间。目前许多学者对于顶梁缝质量得到保证的

3、情况下，焊缝强度一般不低于母在各种工况下的受力情况进行了较为深入的研究，材强度，因此在有限元分析时忽略焊缝的影响。利用有限元分析方法可以获得顶梁在各种工况下(2)略去工艺结构、对受力影响不大的小孔及小尺的应力云图，明确顶梁结构的薄弱位置，但是对如寸结构等。(3)忽略对支架受力影响不大的零件，何改进顶梁结构，主要依据经验，无法进行最优化如挡销座、吊环和管夹等。设计J。本文利用有限元分析平台ANSYSwork—将简化后的顶梁模型导人到ANSYSWork—bench对顶梁进行了虚拟强度试验，并针对分析结bench平台中，首先定义材料属性

4、。ZY6800／19／40果进行顶梁结构的优化设计。型液压支架的主要材料为Q46O、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l顶梁虚拟强度试验查设计手册确定材料的弹性模量、密度和泊松比，根据《煤矿用液压支架通用技术条件》对液压并在ANSYSWorkbench中定义材料的属性为：弹支架主体结构件加载试验的要求，本文以掩护式支性模量E=210GPa，密度p=7850kg／m。，泊松比架ZY6800／19／40的顶梁为研究对象，分别对其在5=0．3，然后将材料属性定义到模型零件中。种工况下的受力状态进行有限元分析

5、，包括两端加顶梁模型导入ANSYSWorkbench后，零件之载、纵向中间加载、对角加载、扭转加载、偏心加载。间装配关系需要重新定义。ANSYSWorkbench中零部件关系以接触的方式进行处理，目前ANSYSWorkbench中提供了5种接触类型，分别是Bonded(粘结)，NoSeparation(不分离)，Frictionless(无摩擦)，Rough(粗糙的)，Frictional(有摩擦)。顶梁的实际装配关系主要是面与面的焊接关系，零件间图1顶梁三维模型不存在相对运动，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

6、为bound(粘结)，这种本文首先利用CAD软件SolidWorks建立顶梁情况下顶梁是一个整体的结构件。的三维模型，如图1所示。模型中包含大量倒角、由于顶梁结构的复杂性，本文采用自动划分法圆孔、焊接坡口等结构特征。在进行有限元分析进行网格划分，这样既可以减少网格数量，也可以时，这些结构特征会严重降低有限元分析的计算效提高网格的适应性。网格划分完成后，对关键部位收稿日期：2014—08—01作者简介：张欣(1977一)，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。·79·2014年第

7、43卷机械设计与制造工程(销轴连接部位、应力较大部位)进行局部的网格细化。液压支架的压架试验是在整架模型的基础上对主体结构件进行的加载试验，本文研究的顶梁虚拟强度试验是在对液压支架进行压架试验的基础上进行的。顶梁受力主要来自4个方面：工作面围岩的压力载荷、立柱支撑载荷、平衡千斤顶、掩护梁对顶梁的作用力。通过垫块的放置来模拟不同工图4顶梁扭转加载应力云图况条件下同岩的压力载荷，并将垫块与顶梁间的接触处理成粘结接触；立柱的支撑载荷，在分析时将其分解，然后加载到顶梁柱帽上；对液压支架进行虚拟压架实验时，顶梁与掩护梁及平衡千斤顶的相互作用

8、力属于内力』。对顶梁单独分析时，顶梁与掩护梁及平衡千斤顶的相互作用力属于外力。本文利用液压支架虚拟压架试验，分别求解了掩护图5项梁偏心加载应力云图梁和平衡千斤顶与顶梁的作用力，并加载到顶梁的相应位置上。液压支架虚拟压架试验不是本文研究重点，求解过程