基于ABAQUS和Isight的液压支架底座强度分析与优化
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。
参考文献
[1] 李炳文，王启广.矿山机械[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007:36-48.
[2] 李海宁，张怡馨.液压支架底座的有限元分析[J].煤矿机械，2011,32(1):89-91.
[3] 万丽荣，刘鹏，孟昭胜，等.冲击载荷作用于掩护梁对液压支架的影响分析[J].煤炭学报，2017,42(9):2462-2467.
[4] 田立勇，王启铭.基于有限元法液压支架底座的结构优化[J].测控技术，2018,37(10):44-48,59.
文章来源：山西焦煤科技
