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