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礦用液壓支架為采礦行業(yè)重要設(shè)備之一，它不僅保障采礦作業(yè)的正常進(jìn)行，同時還保護(hù)著采礦工作者的生命財產(chǎn)安全。針對于煤礦行業(yè)，液壓支架的研發(fā)設(shè)計主要針對其強度分析。
以往的研究主要通過有限元分析技術(shù)，在計算機上對其進(jìn)行虛擬實驗，從而得出計算結(jié)果。液壓支架架型的選擇取決于開采煤層的地質(zhì)條件、生產(chǎn)能力規(guī)模以及相配套的采煤機和刮板輸送機等設(shè)備。本文針對某煤礦用液壓支架，采用有限元技術(shù)對其進(jìn)行強度分析，并通過實驗與計算結(jié)果進(jìn)行對比，兩者誤差較小。本研究為液壓支架的強度分析提供了可靠的依據(jù)，并為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)指明了方向，縮短了研發(fā)周期。
在某三維軟件中打開液壓支架的CAD模型，并對模型進(jìn)行簡化。簡化遵循以下原則：①總體簡化，即根據(jù)液壓支架試驗工況及零部件在液壓支架試驗時對支架的受力影響程度不同，不考慮非主要承載部件如尾梁、推移框架等，只保留底座、頂梁、掩護(hù)梁和前、后連桿，并把每個部件當(dāng)作一個零件處理；②部件簡化，即從部件內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)簡化，將各部件內(nèi)無關(guān)大局的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、合并、省略，如底座中的閥板、管卡等便做了省略處理；③保留危險部位的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，忽略不重要區(qū)域的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)，將一些薄板簡化為曲面。將簡化后的模型導(dǎo)出為Parasolid文件格式。簡化后的模型如圖所示。對液壓支架劃分網(wǎng)格的實質(zhì)就是對其模型進(jìn)行網(wǎng)格離散。
首先將生成的Parasolid文件讀入到Hyperworks軟件中進(jìn)行幾何清理，各處零件之間的焊接采用節(jié)點共用法。設(shè)定單元的目標(biāo)尺寸為20mm，網(wǎng)格劃分完成后，單元總數(shù)為301865個，節(jié)點總數(shù)為266823個，其中三角形單元總數(shù)為2257個，其余為四邊形單元以及一維單元。平衡缸采用一維彈簧單元模擬，各運動件采用MPC鉸接方式處理。設(shè)定材料為鋼材，彈性模量為2.1x105Pa，泊松比為0.3，材料密度為7.9g/e。彈簧單元的剛度為290893.8N/mm。該剛度根據(jù)液壓油的體積模量算得，剛度計算公式為其中：K。為液壓油的體積模量，R為液壓缸外徑，r為液壓缸內(nèi)徑，L為液體在液壓缸中的長度。設(shè)定單元屬性，將設(shè)置好的材料屬性賦予各個部件。
由于該仿真試驗涉及到材料非線性狀態(tài)和接觸等分析，采用Abaqus求解器進(jìn)行求解。將在Hyperworks中建立好的有限元模型導(dǎo)出inp文件格式，再將該文件格式導(dǎo)入到Abaqus中，在Abaqus中定義接觸以及邊界條件等屬性。生產(chǎn)現(xiàn)場頂板和底板對支架施加的載荷千變?nèi)f化，液壓支架部件間的接觸狀況也隨之變化，解決這類接觸問題需要給出接觸條件和接觸邊界，用迭代法求解。因很難給出某種加載方式下的接觸邊界，同時也無法保證非線性迭代的收斂性[3]這里接觸采用surface to surface接觸類型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，定義滑移為有限滑移。邊界條件的定義根據(jù)國標(biāo)(GB25974.1-2010煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》進(jìn)行確定。
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