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液壓支架計算機(jī)模擬試驗是液壓支架設(shè)計與試驗的一個新的研究領(lǐng)域，采用有限元分析方法給液壓支架的設(shè)計和試驗的現(xiàn)代化提供了有力的工具，為支架設(shè)計提供科學(xué)的參考數(shù)據(jù)，縮短了設(shè)計到生產(chǎn)的周期，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)某型液壓支架通用技術(shù)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(jìn)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(zhuǎn)、底座兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)。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(jìn)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(xué)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(jié)部以外的頂(底)蓋板部分可以簡化；(5)簡化以后，結(jié)構(gòu)承受載荷的能力不應(yīng)增強(qiáng)；(6)忽略樣機(jī)的零部件不會對整架主要結(jié)構(gòu)件的受力狀況產(chǎn)生大的影響。將簡化后的模型導(dǎo)入到Ansys workbench中，如圖所示。設(shè)置液壓支架的各個零部件材料的類型為結(jié)構(gòu)鋼，楊氏模量為2.0xe5 MPa，泊松比為0.30設(shè)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(shè)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(shè)置約束為fixedsupport，在頂梁試驗壓塊上設(shè)置約束為frictionlesssupport。
由圖可以看出：(1)頂梁在扭轉(zhuǎn)工況下，應(yīng)力值較大的部位主要集中在頂梁；(2)柱窩附近的構(gòu)件單元應(yīng)力值比遠(yuǎn)離柱窩附件的構(gòu)件的單元應(yīng)力值大。通過對有限元結(jié)果進(jìn)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(yīng)力達(dá)到480MPa左右。因而，在頂梁主肋處和立柱柱窩附近使用屈服強(qiáng)度為480MPa以上的材料。在主肋間的肋板可以使用屈服強(qiáng)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(jī)模擬試驗有限元網(wǎng)格中邊界約束的固定點(diǎn)，其周圍構(gòu)件的單元應(yīng)力值較大，此處有相對的應(yīng)力集中。此處應(yīng)力集中可以不考慮。由圖可以看出：(1)應(yīng)力值較大的部位集中分布在掩護(hù)梁以及掩護(hù)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(yīng)力集中有相對的應(yīng)力集中。頂梁與掩護(hù)梁連接的部分也此處應(yīng)力集中可以不考慮；(3)在頂梁和掩護(hù)梁的連接部件構(gòu)件單元應(yīng)力大，遠(yuǎn)離連接處構(gòu)件單元應(yīng)力逐漸減小。掩護(hù)梁與前連桿在連接處，主肋位置上的單元應(yīng)力值相對高，而主肋斜對稱位置，即掩護(hù)梁與后連桿連接處的單元應(yīng)力值相對較小，因此掩護(hù)梁應(yīng)力分布呈傾斜下降趨勢。由圖可以看出：(1)與頂梁扭轉(zhuǎn)有類似的狀況，矩形墊塊部位，即支架計算機(jī)模擬試驗有限元網(wǎng)格中邊界約束的固定點(diǎn)，甚至在該點(diǎn)所在的橫肋板單元應(yīng)力達(dá)到本工況應(yīng)力的最大值。而長墊塊周圍部件也有相對的應(yīng)力集中；(2)底座在扭轉(zhuǎn)工況下，應(yīng)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(yīng)力值較大。在底座主肋和過橋處的應(yīng)力達(dá)到500MPa左右。通過對以上有限元結(jié)果分析，可知在底座上的主肋處和過橋處要使用屈服強(qiáng)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(qiáng)度。主肋間的橫肋板可以用屈服強(qiáng)度低點(diǎn)的材料。
本研究通過對支架整機(jī)進(jìn)行有限元分析，可以確定各個零部件的等級，在等效應(yīng)力小的部位采用屈服強(qiáng)度低的材料，在等效應(yīng)力大的部位采用屈服強(qiáng)度高的材料。以達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的效果。同時，由于分析結(jié)果是在簡化模型的基礎(chǔ)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(chǔ)上，不斷修正有限元結(jié)果。這樣，才能更安全有效地指導(dǎo)液壓支架設(shè)計。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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