摘 要:
为了降低某液压支架底座工作时的最大应力,提高其安全性,使用ABAQUS软件对3种工况下的底座进行强度分析,找出底座的薄弱点。对底座重新进行参数化建模,使用Isight软件联合Catia和ABAQUS对底座进行优化分析。优化后,液压支架底座在3种工况下最大应力值有显著降低,且整体重量下降9.7%.对液压支架底座的分析与优化,降低了底座的最大应力,提高了其安全性;同时实现了底座的轻量化,提高了其经济性。
关键词:液压支架;底座;ABAQUS;Isight;安全性;轻量化;
液压支架是广泛应用的煤矿机械,在煤炭开采过程中,不仅提高了矿井的安全性,也提高了煤炭的开采效率。液压支架主要由底座、连杆机构、掩护梁、顶梁及控制元件组成,底座是液压支架的关键部件[1]. 李海宁等[2] 仅研究了某液压支架底座的强度,并未进行优化。万丽荣等[3]研究了冲击载荷作用下液压支架关键零件及底座的受力及强度。田立勇等[4]研究了各工况下液压支架底座的强度及不同板厚对底座强度的影响,并简单进行优化。以上对底座的研究主要集中在强度分析方面,优化方面的研究比较少。底座的安全性和轻量化在传统设计中往往不能兼顾。基于前人的研究,本文使用ABAQUS软件和Isight软件对某液压支架底座进行强度及优化分析,在提高底座安全性的同时,实现底座的轻量化。
1 某液压支架底座强度分析
液压支架底座在井下受力较为复杂,为了分析底座的强度,提取底座的3种典型工况进行分析。
1) 工况1:支架底座两端受扭转载荷。
2) 工况2:支架底座左侧受偏载荷。
3) 工况3:支架底座右侧受偏载荷。
1.1 简化模型
为了提高强度分析的效率,在分析前对底座进行简化。
底座主体结构由钢板焊接而成,钢板间的焊缝强度视为与钢板相同。去掉对强度影响不大的孔、倒角等结构。
在简化模型的同时,对模型进行参数化建模,方便后续优化使用。需要参数化建模的尺寸:各重要部位的钢板厚度,垫块的长度、宽度,柱窝的高度等。
简化后的模型见图1.
图1 底座简化后的三维模型图
1.2 添加材料、划分网格
底座简化模型导入ABAQUS软件中,对模型添加材料。
底座是钢板焊接成的箱体结构。钢材分为两种,柱窝处采用耐磨材料ZG27SiMn, 其它部位采用Q550钢板。两种材料的力学性能见表1.
表1 材料力学性能参数表 导出到EXCEL
材料 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 密度/(kg·m-3) | 屈服强度/MPa |
ZG27SiMn | 2.1e+5 | 0.26 | 7 850 | 835 |
Q550 | 2.06e+5 | 0.28 | 7 850 | 550 |
设置完参数后,对模型进行网格划分,见图2.
图2 底座网格划分图
1.3 边界条件加载
根据工况1、2、3的载荷对底座模型进行加载。
各个工况的边界条件见表2.
表2 各工况边界条件表
名称 | 约束 | 载荷 |
工况1 | 底部x、y、z三个方向全约束 | 底部两端受集中载荷 |
工况2 | 底部x、y、z三个方向全约束 | 左侧一端加载 |
工况3 | 底部x、y、z三个方向全约束 | 右侧一端加载 |
1.4 强度分析结果
对支架底座进行分析后,得到3种工况的应力,见图3.
图3 底座各工况应力图
从上述强度分析结果看,底座在工况1、2、3的最大应力分别为251 MPa、245 MPa、216.4 MPa.
2 液压支架底座优化分析
对底座进行优化,主要优化参数见表3.
2.1 参数灵敏度分析
液压支架底座优化的参数较多,在进行优化时工作量较大,耗费的计算资源较多。为了减少优化的工作量,对上述参数进行灵敏度分析。灵敏度分析的主要目的是确认参数对底座应力的影响。对应力影响大的参数确定为主要优化变量,对应力影响不大的参数确定为次要优化变量或者舍弃。
采用Isight软件集成CATIA、ABAQUS对底座进行参数灵敏度分析,分析流程见图4,经分析后,得到参数灵敏度图,见图5.
表3 底座主要参数表
参数名 | 代号 | 尺寸/mm |
垫块长度 | a | 480 |
垫块宽度 | b | 460 |
柱窝高度 | c | 80 |
底板厚度 | d | 22 |
耳板厚度 | e | 26 |
加强筋1厚度 | f | 28 |
加强筋2厚度 | g | 24 |
加强筋3厚度 | h | 20 |
加强筋4厚度 | k | 18 |
加强筋5厚度 | l | 15 |
图4 底座参数灵敏度分析流程图
图5 底座参数灵敏度图
从图5中可得到,垫块的长度、宽度,柱窝高度,耳板厚度和加强筋1的厚度对底座的应力值影响较大。因此在底座优化分析中,取上述几个参数为优化变量,其余不做为优化变量。垫块的宽度由长度通过数学关系式表示,优化变量减少到4个。
优化变量及优化范围见表4.
表4 优化变量及优化范围表
优化变量 | 初值/mm | 优化范围/mm |
垫块长度 | 480 | 400~520 |
柱窝高度 | 80 | 60~100 |
耳板厚度 | 26 | 20~32 |
加强筋1厚度 | 28 | 15~35 |
2.2 底座优化
底座优化的目标函数、约束条件如下所示:
式中:m、n、k为3种工况下,各工况最大应力值的加权系数。
优化目标:3种工况下,底座最大应力值之和最小。
约束函数:底座整体重量减重不少于8%.
底座的Isight优化流程见图6. 优化算法采用DOE算法,抽样方法为超拉丁算法,样本数为50.
图6 底座Isight优化流程图
2.3 优化结果
通过Isight优化分析,经圆整后,得到底座参数的最优值。优化前后参数见表5.
表5 参数优化前后对比表
参数名 | 优化前/mm | 优化后/mm |
垫块长度 | 480 | 446 |
柱窝高度 | 80 | 85 |
耳板厚度 | 26 | 23 |
加强筋1厚度 | 28 | 30 |
3 优化对比
按照优化后的尺寸对底座重新建模,在3种工况下进行强度分析。
优化后底座的应力见图7.
图7 优化后底座各工况应力图
工况1底座最大应力值较优化前降低91 MPa, 最大应力作用点在柱窝处。底座整体应力有所增大未出现明显的应力集中现象。同样,在工况2和工况3条件下,底座最大应力值较优化前分别降低130 MPa、177 MPa, 底座整体应力有所增大,未出现明显的应力集中现象。优化后,底座总重量由之前的4 735 kg降低到4 276 kg, 减重9.7%,实现了底座的轻量化。
4 结 论
1) 使用ABAQUS软件对液压支架底座进行了强度分析,得到底座在3种工况下的最大应力值,即底座的强度薄弱点。
2) 使用Isight软件对液压支架底座进行优化,底座在3种工况下的最大应力有了较大幅度的降低,且整体质量下降9.7%. 可见优化方案提高了底座的安全性,并实现了底座的轻量化。
3) 验证了液压支架底座使用Isight联合CATIA、ABAQUS优化的可行性,为液压支架底座在设计中兼顾安全性、轻量化两个指标提供了一种思路。
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