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液壓支架計算機模擬試驗是液壓支架設計與試驗的一個新的研究領域，采用有限元分析方法給液壓支架的設計和試驗的現(xiàn)代化提供了有力的工具，為支架設計提供科學的參考數(shù)據(jù)，縮短了設計到生產(chǎn)的周期，能夠實現(xiàn)較大的社會和經(jīng)濟效益。
根據(jù)某型液壓支架通用技術要求，液壓支架必須通過壓架試驗合格后，方能使用。將支架放置在內(nèi)加載試驗臺內(nèi)，試驗臺調(diào)整到支架試驗高度，對支架進行加載荷試驗。常用的加載方式有幾種：頂梁兩端加載、頂梁偏載、頂梁扭轉、底座兩端加載、底座扭轉。根據(jù)MT312的試驗形式，在液壓支架安裝上試驗壓塊。支架的壓架試驗高度為支架最大高度減去支架行程的1/3。將建好的液壓支架三維模型調(diào)到高度2900mm，同時對三維模型進行簡化，簡化的原則：(1)液壓支架部件軸心的距離和位置不改動；(2)主要部件和零件的尺寸不改動；(3)用力學等效部件代替去掉的部件；(4)次要零件受力小的部分可以簡化，如豎肋板、橫肋板與頂(或底)蓋板交結部以外的頂(底)蓋板部分可以簡化；(5)簡化以后，結構承受載荷的能力不應增強；(6)忽略樣機的零部件不會對整架主要結構件的受力狀況產(chǎn)生大的影響。將簡化后的模型導入到Ansys workbench中，如圖所示。設置液壓支架的各個零部件材料的類型為結構鋼，楊氏模量為2.0xe5 MPa，泊松比為0.30設置銷軸與耳板，銷軸和主肋的接觸形式為noseparation，其他零部件之間設置為bonded形式。分別在立柱與頂梁，立柱與底座接觸處加1.2倍支架額定工作阻力載荷。在平衡千斤頂上加載載荷。在底板下平面上設置約束為fixedsupport，在頂梁試驗壓塊上設置約束為frictionlesssupport。
由圖可以看出：(1)頂梁在扭轉工況下，應力值較大的部位主要集中在頂梁；(2)柱窩附近的構件單元應力值比遠離柱窩附件的構件的單元應力值大。通過對有限元結果進行分析。從圖中可以看出，在柱窩處附近和與柱窩連接處的4根主肋位置應力達到480MPa左右。因而，在頂梁主肋處和立柱柱窩附近使用屈服強度為480MPa以上的材料。在主肋間的肋板可以使用屈服強度較低的材料；(3)頂梁上單個矩形墊塊和長墊塊的部位，即支架計算機模擬試驗有限元網(wǎng)格中邊界約束的固定點，其周圍構件的單元應力值較大，此處有相對的應力集中。此處應力集中可以不考慮。由圖可以看出：(1)應力值較大的部位集中分布在掩護梁以及掩護梁與頂梁的連接處，包括頂梁的一部分；(2)頂梁加偏載部位，即長墊塊加載的部位。此處有相對的應力集中有相對的應力集中。頂梁與掩護梁連接的部分也此處應力集中可以不考慮；(3)在頂梁和掩護梁的連接部件構件單元應力大，遠離連接處構件單元應力逐漸減小。掩護梁與前連桿在連接處，主肋位置上的單元應力值相對高，而主肋斜對稱位置，即掩護梁與后連桿連接處的單元應力值相對較小，因此掩護梁應力分布呈傾斜下降趨勢。由圖可以看出：(1)與頂梁扭轉有類似的狀況，矩形墊塊部位，即支架計算機模擬試驗有限元網(wǎng)格中邊界約束的固定點，甚至在該點所在的橫肋板單元應力達到本工況應力的最大值。而長墊塊周圍部件也有相對的應力集中；(2)底座在扭轉工況下，應力較大部位集中分布在底座；(3)由于底座受扭，底座的主肋和過橋應力值較大。在底座主肋和過橋處的應力達到500MPa左右。通過對以上有限元結果分析，可知在底座上的主肋處和過橋處要使用屈服強度為500MPa以上的材料，同時使用2層過橋焊接在一起，插在底座主肋中。在底座主肋處加貼板，以增加底座抗扭強度。主肋間的橫肋板可以用屈服強度低點的材料。
本研究通過對支架整機進行有限元分析，可以確定各個零部件的等級，在等效應力小的部位采用屈服強度低的材料，在等效應力大的部位采用屈服強度高的材料。以達到優(yōu)化產(chǎn)品結構的效果。同時，由于分析結果是在簡化模型的基礎上得到的，與實際情況還有一定差距。所以，還需在試驗的基礎上，不斷修正有限元結果。這樣，才能更安全有效地指導液壓支架設計。
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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