基于ABAQUS的含裂纹提升机主轴的有限元分析_赵凌燕
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ZHAO Ling-yan （School of Science, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China）
Abstract： The stress and strain fields ahead of three-dimensional surface crack in an elevator shaft is simulated and studied by using ABAQUS sub-model technique in this paper. And it is adopted that the distribution of J -integral along the semi -elliptical crack front in the elevator shaft under complex loading conditions. The results of this investigation show that the elliptical crack propagation at the midpoint and both ends is significantly slower than that of other parts of the crack front, which provides a theoretical basis to evaluate the structural integrity of shafts. Key words： elevator shaft; ABAQUS; sub-model; J-integral
摘 要： 以含裂纹提升机主轴为研究对象，利用 ABAQUS 的子模型技术，模拟计算了不同工 况下提升机主轴三维表面裂纹附近的应力应变场， 获取了 J 积分在承受复杂载荷的主轴椭圆裂纹 扩展过程中的变化规律。 研究结果表明，椭圆裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位，并 为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理论依据。
路径 1 上的法向应力和法向塑性应变的分布情况。
图 1 提升机主轴示意图
40 路径 1
30 6
0.3
R130
R290
10
图 2 裂纹区域的几何尺寸
（3）有限元模型及网格 提升机的实际工况比较复杂，主轴承受的载荷 也随工况有所不同，本文仅对该型提升机主轴在钢 丝绳单层缠绕时的 4 种工况 （游动卷筒提升开始、 游动卷筒提升终了、固定卷筒提升开始和固定卷筒 提升终了）进行了数值模拟计算，得到各种工况下 整个主轴的应力应变场，从而作为子模型的边界和 载荷条件驱动。 整个主轴的网格划分如图 3 所示，计算中采用
Von-Mises 应力/MPa 491.2 435.7 510.8 488.5
等效塑性应变
0.011 72 0.006 39 0.014 28 0.011 41
几何形状简化后如图 1， 裂纹位置在固定卷筒与主
轴的结合处的右端。 从中切出的含裂纹区域的几何 尺寸如图 2 所示， 图中显示的是该区域厚度的一 半 ，整 个 子 模 型 的 厚 度 为 20 mm，半 椭 圆 裂 纹 长 度
0 引言
单绳双筒缠绕式矿用提升机主轴为研究对象，分别
矿井提升机主轴是提升机的关键承载部件，传 求出了复杂载荷条件下主轴的应力应变分布状况；
统设计中大都假定主轴是完整结构。 实际中由于各 并用子模型技术模拟计算了 4 种工况下提升机主
种原因，如腐蚀坑、锻造缺陷、焊接裂纹、表面划伤、 轴三维表面裂纹附近的应力应变场，获取了椭圆裂
S，S33
600
500
400 300
Y
200
100
Z
X
PE，PE33
0.006 0.005 0.004
Y 0.003
0.002 0.001
Z
X
为 40 mm，深度为 6 mm。
子模型厚度为 20 mm 10 裂纹位置
图 5 裂纹前端的拉应力分布云图 图6 裂纹前端的法向塑性应变分布云图
图 7 和图 8 分别是距离裂纹前端 0.3 mm 处的
以达到4.85~5.4）。
（12）：3－5.
4 结语
［2］［苏］E3 保晋. 采煤机破煤理论［M］. 北京:煤炭工业出版社，1992.
采煤机的牵引速度是确定综采工作面工艺参
［3］刘春生. 采煤机牵引功率与截割功率的 匹 配 关 系 ［J］. 煤 矿 机 电 ，
数的核心问题，本文从截割功率、截齿伸出齿座长
Finite Element Analysis of Hydraulic Support Connector Based on
ANSYS
HAO Ling1， WANG De-you2， ZHOU Jun1， ZHANG Shao-qiu1， JIA Wei-wei1， JIANG Ren-kun1 （1. Sany Heavy Equipment Co., Ltd., Shenyang 110027, China; 2. Shenyang Yuanda Aluminium Industry Engineering
84
责任编辑：王海英 收稿日期：2011－08－22
第 33 卷第 03 期
基于 ABAQUS 的含裂纹提升机主轴的有限元分析— ——赵凌燕
Vol.33No.03
密度/t·mm-3
7.85 ×10-9 裂纹的子模型上，工况 3 下的拉应力和法向塑性应
弹性模量/GPa
205 变的分布云图，裂纹前端的拉应力和法向塑性应变
泊松比
0.3 都是最大。
屈服应力/MPa
355
硬化系数
1
应变硬化指数
5Hale Waihona Puke （2）几何模型某 2JK 型 单 绳 双 筒 缠 绕 式 矿 用 提 升 机 主 轴 的
表 1 主轴裂纹区的 Von-Mises 应力和等效塑性应变
工况 1 游动卷筒提升开始 工况 2 游动卷筒提升终了 工况 3 固定卷筒提升开始 工况 4 固定卷筒提升终了
摘 要： 依据生产中正在使用的液压支架连接头的实际尺寸，利用 Pro/E 进行三维建模，然后 根据井下生产的工况需要，利用 ANSYS Workbench 对液压支架连接头进行有限元分析，从而确定 变形量、应力和应变的变化情况，进而从技术上保证液压支架与刮板输送机连接的可靠性。
关键词： 液压支架； 连接头； Pro/E； ANSYS Workbench； 有限元分析 中图分类号： TD355 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）03 － 0086 － 03
2005（5）：16－17.
度、液压支架移架要求 3 个方面做了初步分析。 要
［4］李玉明,姜彬,樊 秀 芹,等. MG300-W 采 煤 机 工 作 牵 引 速 度 的 选 取
确定合理的采煤机牵引速度还需要结合实际的工
原则［J］. 煤矿机械，2000，21（3）：7－8.
况和井下的实际生产条件。 这样才能得到最合理的
图 3 提升机主轴的网格划分 图 4 含裂纹子模型的网格划分
2 计算结果及分析 4 种工况下， 裂纹区域的最大 Von-Mises 应力
和最大等效塑性应变如表 1 所示。 对整个主轴的数值模拟计算表明，整个主轴承
受的最大应力值出现在游动卷筒端的轴承台阶处，
图 9 是裂纹前端 J 积分的分布情况。 与路径 1 上的应力和应变分布类似，4 种工况下，裂纹中间处 的 J 积 分 比 较 小 ， 远 离 裂 纹 中 点 ，J 积 分 先 逐 渐 增 大，到距离裂纹中点 10 mm 处又开始急剧减小。 工 况 3 时裂纹前端的 J 积分是最大的， 椭圆表面裂纹 在此种工况下更易发生失稳扩展，且裂纹中点和两
考察局部应力和主轴失效分析提供理论基础。 本文
（1）材料模型
采用有限元软件 ABAQUS，以含椭圆裂纹的 2JK 型
根据计算分析的需要，定义该提升机主轴的材
* 西安科技大学科研培育基金项目（201138）
料属性为弹塑性，提升机主轴的材料力学参数：
222222222222222222222222222222222222222222222
4 种工况下，裂纹中间处的应力和应变比较小，远离 裂纹中间，应力应变先逐渐增大，快到达主轴表面 的时候又开始减小。 工况 3 即固定卷筒提升开始时 的应力和应变都是最大的，这种工况下裂纹比较容 易扩展，这也是最危险的一种工况。 工况 2 的应力 和应变最小，工况 1 和工况 4 时裂纹前端的应力和 应变几乎一致。
Co., Ltd., Shenyang 110027, China）
Abstract: Based on the parameters of the hydraulic support connector in a mine. The 3D model with the Pro/E software is set up. And then according to the needs of the working conditions underground production, the use of ANSYS Workbench finite element analysis on the connector to determine the condition of deformation, stress and strain changes. The connector ensures the reliability of the connection between the hydraulic support and scraper conveyor technically. Key words: hydraulic support； connector； Pro/E； ANSYS Workbench； finite element analysis
非金属夹杂等，主轴在长期交变应力作用下生成疲 纹前端应力应变场的分布规律； 研究了 J 积分在承
劳裂纹，并发生疲劳裂纹扩展，最终导致突发性断 受复杂载荷的提升机主轴裂纹扩展过程中的变化
裂事故。
规律，为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理
利用有限元数值模拟方法对矿井提升机主轴 论依据。
进行应力应变场分析， 可以求出各处应力分布，为 1 有限元模型
关键词： 提升机主轴； ABAQUS； 子模型； J 积分 中图分类号： TD53 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）03 － 0084 － 03
Finite Element Analysis of Elevator Shaft with Crack Based on ABAQUS
DOI:10.13436/j.mkjx.2012.03.081
第 33 卷第 03 期 2012 年 03 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.33No.03 Mar. 2012
基于 ABAQUS 的含裂纹提升机主轴的有限元分析 *
赵凌燕 （西安科技大学 理学院， 西安 710054）
沿路径 1 的法向应力/MPa
850 800
12 3
750
700
4
650
600
550
500
450
400 -20 -10 0 10 20
x 向到裂纹前端中点的距离/mm
图 7 裂纹前端路径 1 上的拉应力分布 1. 工况 1 2. 工况2 3. 工况 3 4. 工况 4
C3D8R 单元， 即八节点六面体线性减缩积分单元， 单元总数为 21 272。 子模型部分的网格划分如图 4 所示，为了得到更为精确可靠的计算结果，在裂纹 的附近对网格进行了精细划分，同样采用 C3D8R 单 元，单元总数为 38 260。
沿路径 1 的法向应力/MPa
0.007 0 0.006 5 0.006 0
0.005 5 0.005 0
1 2
0.004 5 0.004 0
0.003 5 0.003 0
3
4
-20 -10
0
10
20
x 向到裂纹前端中点的距离/mm
Y ZX
图 8 裂纹前端路径一上的法向塑性应变分布 1. 工况 1 2. 工况 2 3. 工况 3 4. 工况 4
作 者 简 介 ： 周 万 春 （1967- ），湖 南 娄 底 人 ，工 商 管 理 硕 士 ，三 一
采煤机牵引速度。
参考文献：
重型装备有限公司总经理， 主要从事煤矿采掘机械设计项目管理， 电话：024-31808429，电子信箱 zhwanc@.
［1］刘 春 生. 采 煤 机 牵 引 与 截 割 功 率 的 匹 配 ［J］. 煤 矿 机 械 ，2002，23
扭矩输入端始终为高应力区。 图 5 和图 6 分别是含 端的扩展明显要慢于裂纹其他部位的扩展。 85
第 33 卷第 03 期 2012 年 03 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.33No.03 Mar. 2012
基于 ANSYS 的液压支架连接头有限元分析
郝 玲 1， 王德友 2， 周 俊 1， 张少秋 1， 贾维维 1， 姜仁坤 1 （1. 三一重型综采成套装备有限公司， 沈阳 110027； 2. 沈阳远大铝业工程有限公司， 沈阳 110027）
Abstract： The stress and strain fields ahead of three-dimensional surface crack in an elevator shaft is simulated and studied by using ABAQUS sub-model technique in this paper. And it is adopted that the distribution of J -integral along the semi -elliptical crack front in the elevator shaft under complex loading conditions. The results of this investigation show that the elliptical crack propagation at the midpoint and both ends is significantly slower than that of other parts of the crack front, which provides a theoretical basis to evaluate the structural integrity of shafts. Key words： elevator shaft; ABAQUS; sub-model; J-integral
摘 要： 以含裂纹提升机主轴为研究对象，利用 ABAQUS 的子模型技术，模拟计算了不同工 况下提升机主轴三维表面裂纹附近的应力应变场， 获取了 J 积分在承受复杂载荷的主轴椭圆裂纹 扩展过程中的变化规律。 研究结果表明，椭圆裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位，并 为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理论依据。
路径 1 上的法向应力和法向塑性应变的分布情况。
图 1 提升机主轴示意图
40 路径 1
30 6
0.3
R130
R290
10
图 2 裂纹区域的几何尺寸
（3）有限元模型及网格 提升机的实际工况比较复杂，主轴承受的载荷 也随工况有所不同，本文仅对该型提升机主轴在钢 丝绳单层缠绕时的 4 种工况 （游动卷筒提升开始、 游动卷筒提升终了、固定卷筒提升开始和固定卷筒 提升终了）进行了数值模拟计算，得到各种工况下 整个主轴的应力应变场，从而作为子模型的边界和 载荷条件驱动。 整个主轴的网格划分如图 3 所示，计算中采用
Von-Mises 应力/MPa 491.2 435.7 510.8 488.5
等效塑性应变
0.011 72 0.006 39 0.014 28 0.011 41
几何形状简化后如图 1， 裂纹位置在固定卷筒与主
轴的结合处的右端。 从中切出的含裂纹区域的几何 尺寸如图 2 所示， 图中显示的是该区域厚度的一 半 ，整 个 子 模 型 的 厚 度 为 20 mm，半 椭 圆 裂 纹 长 度
0 引言
单绳双筒缠绕式矿用提升机主轴为研究对象，分别
矿井提升机主轴是提升机的关键承载部件，传 求出了复杂载荷条件下主轴的应力应变分布状况；
统设计中大都假定主轴是完整结构。 实际中由于各 并用子模型技术模拟计算了 4 种工况下提升机主
种原因，如腐蚀坑、锻造缺陷、焊接裂纹、表面划伤、 轴三维表面裂纹附近的应力应变场，获取了椭圆裂
S，S33
600
500
400 300
Y
200
100
Z
X
PE，PE33
0.006 0.005 0.004
Y 0.003
0.002 0.001
Z
X
为 40 mm，深度为 6 mm。
子模型厚度为 20 mm 10 裂纹位置
图 5 裂纹前端的拉应力分布云图 图6 裂纹前端的法向塑性应变分布云图
图 7 和图 8 分别是距离裂纹前端 0.3 mm 处的
以达到4.85~5.4）。
（12）：3－5.
4 结语
［2］［苏］E3 保晋. 采煤机破煤理论［M］. 北京:煤炭工业出版社，1992.
采煤机的牵引速度是确定综采工作面工艺参
［3］刘春生. 采煤机牵引功率与截割功率的 匹 配 关 系 ［J］. 煤 矿 机 电 ，
数的核心问题，本文从截割功率、截齿伸出齿座长
Finite Element Analysis of Hydraulic Support Connector Based on
ANSYS
HAO Ling1， WANG De-you2， ZHOU Jun1， ZHANG Shao-qiu1， JIA Wei-wei1， JIANG Ren-kun1 （1. Sany Heavy Equipment Co., Ltd., Shenyang 110027, China; 2. Shenyang Yuanda Aluminium Industry Engineering
84
责任编辑：王海英 收稿日期：2011－08－22
第 33 卷第 03 期
基于 ABAQUS 的含裂纹提升机主轴的有限元分析— ——赵凌燕
Vol.33No.03
密度/t·mm-3
7.85 ×10-9 裂纹的子模型上，工况 3 下的拉应力和法向塑性应
弹性模量/GPa
205 变的分布云图，裂纹前端的拉应力和法向塑性应变
泊松比
0.3 都是最大。
屈服应力/MPa
355
硬化系数
1
应变硬化指数
5Hale Waihona Puke （2）几何模型某 2JK 型 单 绳 双 筒 缠 绕 式 矿 用 提 升 机 主 轴 的
表 1 主轴裂纹区的 Von-Mises 应力和等效塑性应变
工况 1 游动卷筒提升开始 工况 2 游动卷筒提升终了 工况 3 固定卷筒提升开始 工况 4 固定卷筒提升终了
摘 要： 依据生产中正在使用的液压支架连接头的实际尺寸，利用 Pro/E 进行三维建模，然后 根据井下生产的工况需要，利用 ANSYS Workbench 对液压支架连接头进行有限元分析，从而确定 变形量、应力和应变的变化情况，进而从技术上保证液压支架与刮板输送机连接的可靠性。
关键词： 液压支架； 连接头； Pro/E； ANSYS Workbench； 有限元分析 中图分类号： TD355 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）03 － 0086 － 03
2005（5）：16－17.
度、液压支架移架要求 3 个方面做了初步分析。 要
［4］李玉明,姜彬,樊 秀 芹,等. MG300-W 采 煤 机 工 作 牵 引 速 度 的 选 取
确定合理的采煤机牵引速度还需要结合实际的工
原则［J］. 煤矿机械，2000，21（3）：7－8.
况和井下的实际生产条件。 这样才能得到最合理的
图 3 提升机主轴的网格划分 图 4 含裂纹子模型的网格划分
2 计算结果及分析 4 种工况下， 裂纹区域的最大 Von-Mises 应力
和最大等效塑性应变如表 1 所示。 对整个主轴的数值模拟计算表明，整个主轴承
受的最大应力值出现在游动卷筒端的轴承台阶处，
图 9 是裂纹前端 J 积分的分布情况。 与路径 1 上的应力和应变分布类似，4 种工况下，裂纹中间处 的 J 积 分 比 较 小 ， 远 离 裂 纹 中 点 ，J 积 分 先 逐 渐 增 大，到距离裂纹中点 10 mm 处又开始急剧减小。 工 况 3 时裂纹前端的 J 积分是最大的， 椭圆表面裂纹 在此种工况下更易发生失稳扩展，且裂纹中点和两
考察局部应力和主轴失效分析提供理论基础。 本文
（1）材料模型
采用有限元软件 ABAQUS，以含椭圆裂纹的 2JK 型
根据计算分析的需要，定义该提升机主轴的材
* 西安科技大学科研培育基金项目（201138）
料属性为弹塑性，提升机主轴的材料力学参数：
222222222222222222222222222222222222222222222
4 种工况下，裂纹中间处的应力和应变比较小，远离 裂纹中间，应力应变先逐渐增大，快到达主轴表面 的时候又开始减小。 工况 3 即固定卷筒提升开始时 的应力和应变都是最大的，这种工况下裂纹比较容 易扩展，这也是最危险的一种工况。 工况 2 的应力 和应变最小，工况 1 和工况 4 时裂纹前端的应力和 应变几乎一致。
Co., Ltd., Shenyang 110027, China）
Abstract: Based on the parameters of the hydraulic support connector in a mine. The 3D model with the Pro/E software is set up. And then according to the needs of the working conditions underground production, the use of ANSYS Workbench finite element analysis on the connector to determine the condition of deformation, stress and strain changes. The connector ensures the reliability of the connection between the hydraulic support and scraper conveyor technically. Key words: hydraulic support； connector； Pro/E； ANSYS Workbench； finite element analysis
非金属夹杂等，主轴在长期交变应力作用下生成疲 纹前端应力应变场的分布规律； 研究了 J 积分在承
劳裂纹，并发生疲劳裂纹扩展，最终导致突发性断 受复杂载荷的提升机主轴裂纹扩展过程中的变化
裂事故。
规律，为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理
利用有限元数值模拟方法对矿井提升机主轴 论依据。
进行应力应变场分析， 可以求出各处应力分布，为 1 有限元模型
关键词： 提升机主轴； ABAQUS； 子模型； J 积分 中图分类号： TD53 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）03 － 0084 － 03
Finite Element Analysis of Elevator Shaft with Crack Based on ABAQUS
DOI:10.13436/j.mkjx.2012.03.081
第 33 卷第 03 期 2012 年 03 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.33No.03 Mar. 2012
基于 ABAQUS 的含裂纹提升机主轴的有限元分析 *
赵凌燕 （西安科技大学 理学院， 西安 710054）
沿路径 1 的法向应力/MPa
850 800
12 3
750
700
4
650
600
550
500
450
400 -20 -10 0 10 20
x 向到裂纹前端中点的距离/mm
图 7 裂纹前端路径 1 上的拉应力分布 1. 工况 1 2. 工况2 3. 工况 3 4. 工况 4
C3D8R 单元， 即八节点六面体线性减缩积分单元， 单元总数为 21 272。 子模型部分的网格划分如图 4 所示，为了得到更为精确可靠的计算结果，在裂纹 的附近对网格进行了精细划分，同样采用 C3D8R 单 元，单元总数为 38 260。
沿路径 1 的法向应力/MPa
0.007 0 0.006 5 0.006 0
0.005 5 0.005 0
1 2
0.004 5 0.004 0
0.003 5 0.003 0
3
4
-20 -10
0
10
20
x 向到裂纹前端中点的距离/mm
Y ZX
图 8 裂纹前端路径一上的法向塑性应变分布 1. 工况 1 2. 工况 2 3. 工况 3 4. 工况 4
作 者 简 介 ： 周 万 春 （1967- ），湖 南 娄 底 人 ，工 商 管 理 硕 士 ，三 一
采煤机牵引速度。
参考文献：
重型装备有限公司总经理， 主要从事煤矿采掘机械设计项目管理， 电话：024-31808429，电子信箱 zhwanc@.
［1］刘 春 生. 采 煤 机 牵 引 与 截 割 功 率 的 匹 配 ［J］. 煤 矿 机 械 ，2002，23
扭矩输入端始终为高应力区。 图 5 和图 6 分别是含 端的扩展明显要慢于裂纹其他部位的扩展。 85
第 33 卷第 03 期 2012 年 03 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.33No.03 Mar. 2012
基于 ANSYS 的液压支架连接头有限元分析
郝 玲 1， 王德友 2， 周 俊 1， 张少秋 1， 贾维维 1， 姜仁坤 1 （1. 三一重型综采成套装备有限公司， 沈阳 110027； 2. 沈阳远大铝业工程有限公司， 沈阳 110027）