摘    要：為了降低某液壓支架底座工作時的最大應(yīng)力，提高其安全性，使用ABAQUS軟件對3種工況下的底座進(jìn)行強度分析，找出底座的薄弱點。對底座重新進(jìn)行參數(shù)化建模，使用Isight軟件聯(lián)合Catia和ABAQUS對底座進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化后，液壓支架底座在3種工況下最大應(yīng)力值有顯著降低，且整體重量下降9.7%.對液壓支架底座的分析與優(yōu)化，降低了底座的最大應(yīng)力，提高了其安全性；同時實現(xiàn)了底座的輕量化，提高了其經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：液壓支架;底座;ABAQUS;Isight;安全性;輕量化;

液壓支架是廣泛應(yīng)用的煤礦機(jī)械，在煤炭開采過程中，不僅提高了礦井的安全性，也提高了煤炭的開采效率。液壓支架主要由底座、連桿機(jī)構(gòu)、掩護(hù)梁、頂梁及控制元件組成，底座是液壓支架的關(guān)鍵部件[1]. 李海寧等[2] 僅研究了某液壓支架底座的強度，并未進(jìn)行優(yōu)化。萬麗榮等[3]研究了沖擊載荷作用下液壓支架關(guān)鍵零件及底座的受力及強度。田立勇等[4]研究了各工況下液壓支架底座的強度及不同板厚對底座強度的影響，并簡單進(jìn)行優(yōu)化。以上對底座的研究主要集中在強度分析方面，優(yōu)化方面的研究比較少。底座的安全性和輕量化在傳統(tǒng)設(shè)計中往往不能兼顧。基于前人的研究，本文使用ABAQUS軟件和Isight軟件對某液壓支架底座進(jìn)行強度及優(yōu)化分析，在提高底座安全性的同時，實現(xiàn)底座的輕量化。

1 某液壓支架底座強度分析

液壓支架底座在井下受力較為復(fù)雜，為了分析底座的強度，提取底座的3種典型工況進(jìn)行分析。

1) 工況1:支架底座兩端受扭轉(zhuǎn)載荷。

2) 工況2:支架底座左側(cè)受偏載荷。

3) 工況3:支架底座右側(cè)受偏載荷。

1.1 簡化模型

為了提高強度分析的效率，在分析前對底座進(jìn)行簡化。

底座主體結(jié)構(gòu)由鋼板焊接而成，鋼板間的焊縫強度視為與鋼板相同。去掉對強度影響不大的孔、倒角等結(jié)構(gòu)。

在簡化模型的同時，對模型進(jìn)行參數(shù)化建模，方便后續(xù)優(yōu)化使用。需要參數(shù)化建模的尺寸：各重要部位的鋼板厚度，墊塊的長度、寬度，柱窩的高度等。

簡化后的模型見圖1.

圖1 底座簡化后的三維模型圖 

1.2 添加材料、劃分網(wǎng)格

底座簡化模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對模型添加材料。

底座是鋼板焊接成的箱體結(jié)構(gòu)。鋼材分為兩種，柱窩處采用耐磨材料ZG27SiMn, 其它部位采用Q550鋼板。兩種材料的力學(xué)性能見表1.

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)表 導(dǎo)出到EXCEL

材料	彈性模量/MPa	泊松比	密度/(kg·m-3)	屈服強度/MPa
ZG27SiMn	2.1e+5	0.26	7 850	835
Q550	2.06e+5	0.28	7 850	550

設(shè)置完參數(shù)后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2.

圖2 底座網(wǎng)格劃分圖 

1.3 邊界條件加載

根據(jù)工況1、2、3的載荷對底座模型進(jìn)行加載。

各個工況的邊界條件見表2.

表2 各工況邊界條件表

名稱	約束	載荷
工況1	底部x、y、z三個方向全約束	底部兩端受集中載荷
工況2	底部x、y、z三個方向全約束	左側(cè)一端加載
工況3	底部x、y、z三個方向全約束	右側(cè)一端加載

1.4 強度分析結(jié)果

對支架底座進(jìn)行分析后，得到3種工況的應(yīng)力，見圖3.

圖3 底座各工況應(yīng)力圖 

從上述強度分析結(jié)果看，底座在工況1、2、3的最大應(yīng)力分別為251 MPa、245 MPa、216.4 MPa.

2 液壓支架底座優(yōu)化分析

對底座進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化參數(shù)見表3.

2.1 參數(shù)靈敏度分析

液壓支架底座優(yōu)化的參數(shù)較多，在進(jìn)行優(yōu)化時工作量較大，耗費的計算資源較多。為了減少優(yōu)化的工作量，對上述參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析的主要目的是確認(rèn)參數(shù)對底座應(yīng)力的影響。對應(yīng)力影響大的參數(shù)確定為主要優(yōu)化變量，對應(yīng)力影響不大的參數(shù)確定為次要優(yōu)化變量或者舍棄。

采用Isight軟件集成CATIA、ABAQUS對底座進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析，分析流程見圖4,經(jīng)分析后，得到參數(shù)靈敏度圖，見圖5.

表3 底座主要參數(shù)表 

參數(shù)名	代號	尺寸/mm
墊塊長度	a	480
墊塊寬度	b	460
柱窩高度	c	80
底板厚度	d	22
耳板厚度	e	26
加強筋1厚度	f	28
加強筋2厚度	g	24
加強筋3厚度	h	20
加強筋4厚度	k	18
加強筋5厚度	l	15

圖4 底座參數(shù)靈敏度分析流程圖 

圖5 底座參數(shù)靈敏度圖 

從圖5中可得到，墊塊的長度、寬度，柱窩高度，耳板厚度和加強筋1的厚度對底座的應(yīng)力值影響較大。因此在底座優(yōu)化分析中，取上述幾個參數(shù)為優(yōu)化變量，其余不做為優(yōu)化變量。墊塊的寬度由長度通過數(shù)學(xué)關(guān)系式表示，優(yōu)化變量減少到4個。

優(yōu)化變量及優(yōu)化范圍見表4.

表4 優(yōu)化變量及優(yōu)化范圍表

優(yōu)化變量	初值/mm	優(yōu)化范圍/mm
墊塊長度	480	400～520
柱窩高度	80	60～100
耳板厚度	26	20～32
加強筋1厚度	28	15～35

2.2 底座優(yōu)化

底座優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、約束條件如下所示：

式中：m、n、k為3種工況下，各工況最大應(yīng)力值的加權(quán)系數(shù)。

優(yōu)化目標(biāo)：3種工況下，底座最大應(yīng)力值之和最小。

約束函數(shù)：底座整體重量減重不少于8%.

底座的Isight優(yōu)化流程見圖6. 優(yōu)化算法采用DOE算法，抽樣方法為超拉丁算法，樣本數(shù)為50.

圖6 底座Isight優(yōu)化流程圖 

2.3 優(yōu)化結(jié)果

通過Isight優(yōu)化分析，經(jīng)圓整后，得到底座參數(shù)的最優(yōu)值。優(yōu)化前后參數(shù)見表5.

表5 參數(shù)優(yōu)化前后對比表

參數(shù)名	優(yōu)化前/mm	優(yōu)化后/mm
墊塊長度	480	446
柱窩高度	80	85
耳板厚度	26	23
加強筋1厚度	28	30

3 優(yōu)化對比

按照優(yōu)化后的尺寸對底座重新建模，在3種工況下進(jìn)行強度分析。

優(yōu)化后底座的應(yīng)力見圖7.

圖7 優(yōu)化后底座各工況應(yīng)力圖 

工況1底座最大應(yīng)力值較優(yōu)化前降低91 MPa, 最大應(yīng)力作用點在柱窩處。底座整體應(yīng)力有所增大未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同樣，在工況2和工況3條件下，底座最大應(yīng)力值較優(yōu)化前分別降低130 MPa、177 MPa, 底座整體應(yīng)力有所增大，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。優(yōu)化后，底座總重量由之前的4 735 kg降低到4 276 kg, 減重9.7%,實現(xiàn)了底座的輕量化。

4 結(jié) 論

1) 使用ABAQUS軟件對液壓支架底座進(jìn)行了強度分析，得到底座在3種工況下的最大應(yīng)力值，即底座的強度薄弱點。

2) 使用Isight軟件對液壓支架底座進(jìn)行優(yōu)化，底座在3種工況下的最大應(yīng)力有了較大幅度的降低，且整體質(zhì)量下降9.7%. 可見優(yōu)化方案提高了底座的安全性，并實現(xiàn)了底座的輕量化。

3) 驗證了液壓支架底座使用Isight聯(lián)合CATIA、ABAQUS優(yōu)化的可行性，為液壓支架底座在設(shè)計中兼顧安全性、輕量化兩個指標(biāo)提供了一種思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 李炳文，王啟廣.礦山機(jī)械[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007:36-48.

[2] 李海寧，張怡馨.液壓支架底座的有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2011,32(1):89-91.

[3] 萬麗榮，劉鵬，孟昭勝，等.沖擊載荷作用于掩護(hù)梁對液壓支架的影響分析[J].煤炭學(xué)報，2017,42(9):2462-2467.

[4] 田立勇，王啟銘.基于有限元法液壓支架底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].測控技術(shù)，2018,37(10):44-48,59.

文章來源：山西焦煤科技