基于ANSYS的柔性掩护支架力学分析及优化设计.doc

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1、技术与应用变形、扭曲等。见图2、3。研发与制造R&D•Manufacturing]基于ANSYS的柔性掩护支架力学分析及优化设计北京崇文区科委（北京100061）暴剑摘要：对于矿山开采用的掩护支架的损坏用ANSYS进行力学分析，得出更优的支架结构设计。关键词：柔性掩护支架ANSYS有限元分析柔性掩护支架是急倾斜煤层开采广泛使用的一种支护形式，其安全性能对矿山的正常生产具有重大的影响作用。柔性掩护支架是11#工字钢自制成“八字”形掩护简易支架，见图lo各支架由4条或8条钢丝绳连成一个柔性整体，称之为柔性掩护支架。每完成一工作段的爆破落

2、煤后,便将该循环进尺范围内的支架落下，并调整支架到正常的工作状态，即完成该工作段内的移架过程。图1柔性掩护支架结构图由于矿山开采工作面条件恶劣以及掩护支架结构设计等方面的原因，常常会造成柔性掩护支架实际承受的强度和刚度过大，引起支架严重变形、断裂或疲劳破坏，从而对矿山的生产造成了重大的影响。柔性掩护支架与单体液体支柱、悬移支架等在结构及支移方式上，差异较大，所遇到的顶板支护问题及处理方式也有很大不同。在开采过程中，一旦岀现支架损坏情况，不易及时处理，影响生产。常见的支架损坏有焊口开裂、图2支架焊口开裂图3支架扭曲变形针对矿山生产的实

3、际情况，选择柔性掩护支架工作时常见的几种工况及支架的破坏形式，采用三维设计和分析软件PRO/E建立柔性掩护支架的三维模型，然后利用有限元分析软件ANSYS对支架结构的强度和刚度进行分析，确定其应力和应变的薄弱点。根据有限元分析的具体结果,对柔性掩护支架的结构进行优化，重新建立模型,再次进行有限元分析。如此反复，直至获得柔性掩护支架的最佳结构。1.柔掩支架原始模型有限元分析为确定柔掩支架强度和刚度的薄弱点，首先利用ANSYS平台建立了柔性掩护支架的原始模型，并对其进行离散化，得到离散化后的支架模型（图4所示）。在计算分析过程中，根据支

4、架的实际结构和承载情况，采用ANSYS静力分析中的结构分析6231W2003年12期技术与应用研发与制造也鬥磯•汽*mm—■in恢戡gwwsgty—IR&DjManyfactu门ng]图4离散化后的支架模型AM3T3$.4rr>»2d15:40;<1NOOU.30L7TKCN•TTM1901•!FqotbC*^hiC9wws»n•oo—图6原模型支架抗扭的应力尊值线图ZT::s:z总::::韻ZI•1•••••••••■u・rwnnnni93IC匚模块，模型采用具有8节点的3维实体单元，共划分了20486个单元、6092个节点，并在

5、所关心的部位(焊缝、孔)进行了细化处理。模型离散化后，根据支架的实际受力情况对模型施加约束。分析中，采用了支架工作时可能承受的最恶劣的工况，即在支架模型侧向施加均布压力，作用力大小为100000N/m如图5所示。图中模型上不同的颜色代表该区域位移或的大小。m1320025O.VTTCMmr-isut-1nn-icstn(AW)JOTS-OUAcrr*i-.oowwnx••oosmi

6、图支架抗扭的应力等值线图如图6所示。由分析结果可以看出，在支架受扭条件下，架顶梁和侧梁应力值为6.55~45・9MPa。焊缝部位承受的应力值最大，达到59.0MPao说明在支架受扭时，焊缝部位承受的应力值比受压时增加了3倍。因此，欲増加支架的使用寿命和整体强度，必须增加焊缝部位的强度。2.支架结构改变后模型有限元分析从对原始支架模型受力分析结果可知，支架焊缝部位受力最大，为支架的薄弱部位。因此,我们采用给支架焊缝处增加立板的方法，加强支架的强度。为便于对比分析，计算时同样选择了支架抗扭的工况。支架受力状况同原型。分析结果如图7所示。

7、图中模型上不同的颜色代表该区域位移或应力值的大小。由分析结果可以看出，增加立板后，在支架受扭条件下，支架焊缝部位承受的应力值大大降低，为12.6~18・9MPa,为原模型的1/3。最大应力点已移到顶梁，应力值为56.8MPao远小于11#1字钢的屈服强度(360MPa),说明增加立板后，支架的抗扭能力也大大增强。利用现代化的设计理念.先进的软件设备可以在工件使用之前得出工件使用时失效的趋势，从而进行优化设计，得出更合的结构，选择更合理的加工工艺。(收稿日期：2003/10/13)m蜃8UJ2003年12期63