張 欣

(徐州生物工程職業(yè)技術學院 機械系, 江蘇 徐州 221006)

基于ANSYS Workbench的液壓支架頂梁優(yōu)化設計

張 欣

(徐州生物工程職業(yè)技術學院 機械系, 江蘇 徐州 221006)

以掩護式支架頂梁為研究對象，對其在5種工況條件下的虛擬強度進行了分析，由分析結果確定以筋板及蓋板的結構參數(shù)為設計變量進行頂梁結構的優(yōu)化設計，進而建立了頂梁的優(yōu)化函數(shù)，并以優(yōu)化設計變量為變化參數(shù)建立頂梁的參數(shù)化模型，利用ANSYS Workbench的DesignXplorer模塊進行了多工況條件下的頂梁優(yōu)化設計。

頂梁;虛擬強度；優(yōu)化函數(shù)；參數(shù)化；DesignXplorer

頂梁是液壓支架的重要部件，在采煤工作面的復雜工況下，頂梁能夠承接頂板巖石載荷，為工作面提供足夠的安全空間。目前許多學者對于頂梁在各種工況下的受力情況進行了較為深入的研究，利用有限元分析方法可以獲得頂梁在各種工況下的應力云圖，明確頂梁結構的薄弱位置，但是對如何改進頂梁結構，主要依據(jù)經(jīng)驗，無法進行最優(yōu)化設計[1]。本文利用有限元分析平臺ANSYS Workbench對頂梁進行了虛擬強度試驗，并針對分析結果進行頂梁結構的優(yōu)化設計。

1 頂梁虛擬強度試驗

根據(jù)《煤礦用液壓支架通用技術條件》對液壓支架主體結構件加載試驗的要求，本文以掩護式支架ZY6800/19/40的頂梁為研究對象，分別對其在5種工況下的受力狀態(tài)進行有限元分析，包括兩端加載、縱向中間加載、對角加載、扭轉(zhuǎn)加載、偏心加載。

圖1 頂梁三維模型

本文首先利用CAD軟件SolidWorks建立頂梁的三維模型，如圖1所示。模型中包含大量倒角、圓孔、焊接坡口等結構特征。在進行有限元分析時，這些結構特征會嚴重降低有限元分析的計算效率，使計算結果容易出現(xiàn)奇異性,所以本文對液壓支架頂梁模型進行簡化。簡化原則如下：(1)在焊縫質(zhì)量得到保證的情況下，焊縫強度一般不低于母材強度，因此在有限元分析時忽略焊縫的影響。(2)略去工藝結構、對受力影響不大的小孔及小尺寸結構等。(3)忽略對支架受力影響不大的零件，如擋銷座、吊環(huán)和管夾等。

將簡化后的頂梁模型導入到ANSYS Workbench平臺中，首先定義材料屬性。ZY6800/19/40型液壓支架的主要材料為Q460、Q550合金鋼，金屬材料的彈性模量、材料密度、泊松比基本相同，經(jīng)查設計手冊確定材料的彈性模量、密度和泊松比，并在ANSYS Workbench中定義材料的屬性為：彈性模量E=210GPa，密度ρ=7 850kg/m3，泊松比μ=0.3，然后將材料屬性定義到模型零件中。

頂梁模型導入ANSYS Workbench后，零件之間裝配關系需要重新定義。ANSYS Workbench中零部件關系以接觸的方式進行處理，目前ANSYS Workbench中提供了5種接觸類型，分別是Bonded(粘結)，No Separation(不分離)，F(xiàn)rictionless(無摩擦)，Rough(粗糙的)，F(xiàn)rictional(有摩擦)[2]。頂梁的實際裝配關系主要是面與面的焊接關系，零件間不存在相對運動，在有限元計算中忽略焊縫影響，將頂梁各零件間的接觸設置為bound(粘結)，這種情況下頂梁是一個整體的結構件。

由于頂梁結構的復雜性，本文采用自動劃分法進行網(wǎng)格劃分，這樣既可以減少網(wǎng)格數(shù)量,也可以提高網(wǎng)格的適應性。網(wǎng)格劃分完成后，對關鍵部位(銷軸連接部位、應力較大部位)進行局部的網(wǎng)格細化。

液壓支架的壓架試驗是在整架模型的基礎上對主體結構件進行的加載試驗，本文研究的頂梁虛擬強度試驗是在對液壓支架進行壓架試驗的基礎上進行的。頂梁受力主要來自4個方面：工作面圍巖的壓力載荷、立柱支撐載荷、平衡千斤頂、掩護梁對頂梁的作用力。通過墊塊的放置來模擬不同工況條件下圍巖的壓力載荷，并將墊塊與頂梁間的接觸處理成粘結接觸；立柱的支撐載荷，在分析時將其分解,然后加載到頂梁柱帽上；對液壓支架進行虛擬壓架實驗時，頂梁與掩護梁及平衡千斤頂?shù)南嗷プ饔昧儆趦?nèi)力[3]。對頂梁單獨分析時，頂梁與掩護梁及平衡千斤頂?shù)南嗷プ饔昧儆谕饬?。本文利用液壓支架虛擬壓架試驗，分別求解了掩護梁和平衡千斤頂與頂梁的作用力，并加載到頂梁的相應位置上。液壓支架虛擬壓架試驗不是本文研究重點，求解過程不做詳述。完成后的頂梁有限元分析模型如圖2所示。

圖2 頂梁有限元分析模型

頂梁有限元分析的前處理完成后，可以進行有限元求解。得到部分工況條件下的頂梁應力云圖如圖3～圖7所示。

圖3 頂梁兩端加載應力云圖

2 頂梁結構優(yōu)化設計

2.1頂梁結構優(yōu)化的數(shù)學模型

通過頂梁虛擬強度試驗可以得到頂梁準確、全面的應力云圖，從應力云圖上可以發(fā)現(xiàn)頂梁受力的薄弱位置，為了提高頂梁的可靠性，本文對頂梁進行結構優(yōu)化設計。頂梁的優(yōu)化設計目標是在保證頂梁各部分應力小于頂梁材料屈服極限的同時，盡量減少頂梁質(zhì)量而降低制作成本。

圖4 頂梁扭轉(zhuǎn)加載應力云圖

圖5 頂梁偏心加載應力云圖

圖6 頂梁縱向中間加載應力云圖

圖7 頂梁對角加載應力云圖

首先建立頂梁優(yōu)化設計的數(shù)學模型，包括目標函數(shù)、設計變量以及約束條件。本文研究的頂梁結構是由上蓋板、下蓋板和立筋等焊接而成的對稱三腔室結構，截面形狀如圖8所示。由各工況下頂梁的應力云圖可以看出，除墊塊位置應力較大之外，頂梁柱帽附近筋板應力偏大，所以本文選擇頂梁筋板厚度、高度，上蓋板厚度、下蓋板厚度作為優(yōu)化設計變量，由于頂梁的結構對稱，因此只需優(yōu)化一側結構參數(shù)即可[4]。

圖8 頂梁截面圖

頂梁優(yōu)化設計的約束條件包括結構和強度兩方面要求。結構方面，每個設計變量都有自己的可行域，以保證結構的合理性。在企業(yè)生產(chǎn)中，鋼板厚度屬于一個系列，因此設計變量可行域是離散的。強度方面，應力值應小于材料的屈服極限，以保證結構的可靠性。

結構優(yōu)化的數(shù)學模型為：

設計變量：X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T

約束條件：σ<σs

X1∈{16,18,20,25}

X2∈{16,18,20,25}

X3∈{418,428,438,448,458,468,478}

X4∈{20,25}

X5∈{25,30}

X6∈{16,18,20,25}

2.2頂梁參數(shù)化模型的建立

頂梁參數(shù)化模型的建立是頂梁優(yōu)化設計的基礎，ANSYS Workbench對每一個設計點的計算都要首先更新頂梁的參數(shù)化模型，然后將模型導入分析模塊DesignXplorer進行分析優(yōu)化。頂梁參數(shù)化模型的建立須遵守以下原則：(1)每個設計參數(shù)在可行域內(nèi)變化時，保證頂梁的寬度和長度方向尺寸不能改變；(2)所建立的模型必須具有完整約束，不能存在欠約束的情況；(3)應對頂梁模型進行適當簡化，并保證模型的對稱性。

頂梁筋板的厚度、筋板的高度、上蓋板的厚度、下蓋板的厚度為可變參數(shù)，其初始值見表1。

2.3頂梁結構的優(yōu)化設計

本文利用ANSYS Workbench平臺的DesignXplorer模塊進行頂梁結構的優(yōu)化設計。頂梁參數(shù)化模型建立之后，將模型導入分析模塊進行虛擬強度試驗，系統(tǒng)根據(jù)材料密度計算模型質(zhì)量，選擇將模型質(zhì)量輸出，并在DesignXplorer模塊設定質(zhì)量最小為優(yōu)化的目標。然后在DesignXplorer模塊的Design of Experiments項目中選定筋板的厚度、筋板高度、上蓋板的厚度、下蓋板的厚度為設計變量，設定變量類型為離散型，并輸入?yún)?shù)范圍。

表1 頂梁參數(shù)化模型初始值

本文研究的頂梁虛擬強度試驗的加載方式有5種，在對頂梁進行優(yōu)化設計的過程中這5種工況必須同時滿足。在ANSYS Workbench的項目圖解中添加5個靜力學分析項目，如圖9所示，這5個分析項目同時使用一個分析模型。5個靜力學分析項目分別對頂梁進行不同工況下的分析，輸出頂梁筋板上的最大應力，然后設定其小于材料的屈服極限。

圖9 多工況優(yōu)化設計流程

按照質(zhì)量最小的要求，在滿足約束條件的設計點中選擇出優(yōu)化設計結果，見表2。從優(yōu)化結果上看，頂梁質(zhì)量減輕了124.9kg，為總質(zhì)量的3.1%，且5種工況下依然滿足強度要求。為驗證頂梁優(yōu)化結果的正確性，本文按照優(yōu)化結果重建了頂梁的三維模型，并對液壓支架進行了整架虛擬強度試驗，試驗結果表明，頂梁在5種工況下滿足強度要求。

3 結束語

本文利用ANSYS Workbench分析平臺，對液壓支架頂梁在5種工況狀態(tài)下的受力狀態(tài)進行了分析，并根據(jù)分析結果對頂梁進行了多工況狀態(tài)下的聯(lián)合優(yōu)化設計，使頂梁在能夠滿足強度要求的前提下，有效減輕了整體質(zhì)量，得到了較滿意的結果。

表2 頂梁結構優(yōu)化結果

[1] 陳艷.基于數(shù)字化功能樣機技術的液壓支架優(yōu)化設計[J].煤礦機械,2006,27(10):51-53.

[2] 萬麗榮,戴漢政,張鑫.基于Cosmos/Works液壓支架整架有限元分析[J].煤礦機械,2009,30(10):81-83.

[3] 孫國順.大傾角綜放工作面液壓支架優(yōu)化設計技術研究[D].青島：山東科技大學,2008.

[4] 姚向豫.液壓支架掩護梁的結構優(yōu)化設計研究[D].鄭州：鄭州大學,2011.

OptimizationDesignofHydraulicSupportTopBeamBasedonANSYSWorkbench

ZHANG Xin

(Xuzhou Vocational College of Bioengineering, Jiangsu Xuzhou, 221006, China)

Taking top beam of shield type support as a research object, it analyzes this virtual strength in five kinds of working conditions. It defines the structure parameters of stiffened plate and cover plate as the design variables, realizes the optimization design of beam structure. Using DesignXplorer module of ANSYS Workbench, it illustrates the process of optimization for top beam structure under multi working conditions.

Top Team; Virtual Strength; Optimization Function; Parametric; DesignXplorer

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.019

2014-08-01

張欣(1977—)，女，河北衡水人，徐州生物工程職業(yè)技術學院講師，主要從事機械制造、液壓等方面的教學與科研工作。

TH122

A

2095-509X(2014)09-0079-04