液压支架掩护梁的结构优化设计研究

论文摘要

液压支架是煤矿综采工作面最重要的设备之一,是综采支护设备中投资最多、使用数量最多的设备。随着技术的不断完善和市场竞争的逐步加剧,液压支架的设计要求也不断提高,在保证工作性能的前提下要尽可能减轻重量,提高经济效益。本文以某液压支架为研究对象,采用Pro/E软件建立了液压支架整机模型并对其进行了干涉检查,然后通过IGES中间文件将掩护梁的三维实体模型导入ANSYS软件,完成了其结构有限元分析。在有限元分析的基础上,建立了掩护梁的优化数学模型,利用ANSYS软件完成了其结构优化设计。首先通过Pro/E三维建模软件建立了液压支架各零部件模型,装配后充分利用整机干涉检查来校核建模的合理性。三维实体模型可以使设计人员直观的了解液压支架及其关键零部件的结构和装配关系,缩短了设计周期,提高了设计效率。然后通过IGES中间文件将掩护梁模型导入到ANSYS有限元分析软件中,对模型进行适当的网格划分,根据载荷分析结果施加约束和载荷,建立掩护梁的有限元分析模型,通过在ANSYS中的分析计算,得到了掩护梁的应力和应变云图,所得到的结果数据与实际情况相符合。最后在掩护梁有限元分析的基础上,建立了掩护梁结构优化设计数学模型,采用ANSYS作为优化设计器,利用其参数化设计语言APDL,运用零阶优化方法,有效地完成了掩护梁的结构优化设计。在满足迭代精度的基础上,得到令人满意的优化结果,优化后设计方案与原有设计方案相比重量减轻了6.53%,优化效果明显。本课题为液压支架关键零部件的设计提供了一套精确、可靠和快速的现代设计方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图和附表清单
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源与意义
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.2.1 结构优化设计研究现状与分析
• 1.2.2 液压支架设计研究现状与分析
• 1.3 课题研究的主要内容
• 2 液压支架概况及受力分析
• 2.1 液压支架的结构及工作原理
• 2.1.1 液压支架的结构
• 2.1.2 液压支架的工作原理
• 2.2 液压支架的分类及架型特点
• 2.3 液压支架的载荷及受力分析
• 2.3.1 液压支架的外载荷特征
• 2.3.2 液压支架的平面受力分析
• 2.3.3 液压支架掩护梁的空间受力分析
• 2.4 本章小结
• 3 液压支架三维模型的创建
• 3.1 建模软件的选择
• 3.2 液压支架各部件模型的建立
• 3.3 模型的装配与干涉检查
• 3.3.1 模型的装配
• 3.3.2 干涉检查
• 3.4 本章小结
• 4 掩护梁的有限元分析
• 4.1 有限元分析方法
• 4.1.1 有限元法简介
• 4.1.2 有限元软件的选择
• 4.1.3 基于ANSYS的有限元分析流程
• 4.2 有限元模型的导入
• 4.2.1 异构系统间信息转换原理
• 4.2.2 通过IGES中性文件导入模型
• 4.3 有限元分析过程
• 4.3.1 单元类型的选择及网格划分
• 4.3.2 材料属性及加载方式的确定
• 4.3.3 求解及结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 掩护梁结构优化设计的数学模型
• 5.1 结构优化设计的理论基础
• 5.1.1 结构优化设计的概念及类型
• 5.1.2 结构优化设计的数学模型
• 5.1.3 优化算法、软件及流程
• 5.2 掩护梁结构优化数学模型的建立
• 5.2.1 掩护梁结构分析
• 5.2.2 设计变量的选择
• 5.2.3 目标函数的选择
• 5.2.4 约束条件的选择
• 5.3 本章小结
• 6 基于ANSYS的掩护梁结构优化设计计算
• 6.1 参数化建模
• 6.2 提取和确定优化变量
• 6.2.1 提取相关参数
• 6.2.2 指定设计变量
• 6.2.3 指定状态变量
• 6.3 优化方法和迭代准则
• 6.3.1 优化方法
• 6.3.2 优化循环的迭代准则
• 6.3.3 优化工具
• 6.4 本章小结
• 7 掩护梁结构优化结果与分析
• 7.1 掩护梁结构优化结果
• 7.2 设计变量与目标函数的变化过程
• 7.2.1 设计变量的变化过程
• 7.2.2 目标函数的变化过程
• 7.3 优化结果分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文和参加的科研项目