液压支架强度可靠性优化设计方法研究论文

液压支架强度可靠性优化设计方法研究论文

1基于最大应力约束的强度可靠性优化设计

1.1优化变量设定

在对液压支架掩护梁结构进行优化的阶段中，液压支架中的主要参数以及空间尺寸已

经基本完成设计，为恒定状态。因此，设计变量可以选取支架主要部件所对应的钢板厚度，同时可在有限元优化中对其初始值进行定义。假定对于液压支架掩护梁而言，3个板厚分

别定义为T1，T2，T3，均为设计变量，T1取值为25.0mm，为掩护梁竖筋板板厚，T2取值

为25.0mm，为掩护梁上顶板板厚，T3取值为25.0mm，为掩护梁下腹板板厚。该状态下掩

护梁整体质量为3345.0g。

1.2有限元优化分析

在有限元分析过程当中，选择掩护梁受力条件最为恶劣的偏载工况作为加载方式。在

此工况下，整个液压支架的实验高度取值为2400.0mm。应力极限值在460.0MPa范围内，

因此可设定掩护梁重量最小作为强度可靠性优化设计的基本目标。同时，遵循现行国家标准，将设计变量的增长步长设置为5.0mm。同时，对于液压支架而言，厚度在15.0mm以下的板材较为单薄，与液压支架其他组件结构无法相互配合，因此缺乏实际意义，故而在可

靠性优化设计分析中，按照下表方式选择板厚，计算相应的组合方案。

1.3有限元优化结果分析

根据在不同组合方案下得到的数据分析来看，按照表1所取值IDE各种板厚组合方案

均能够满足液压支架掩护梁结构强度可靠性优化设计中“掩护梁最大受力不超过屈服极限

水平”的要求。在此状态下，在液压支架重量取最小值时，板材厚度T1，T2，T3均取值

为20.0mm，与之相对应的探测点1应力水平为398.9MPa，探测点2应力水平为413.7MPa，可以满足应力标准要求，对应的液压支架掩护梁质量水平为2992.29kg。

2基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计

由于在现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，已经针对液

压支架疲劳强度实验方法与结果提出了严格要求，因此在液压支架实验中仅需要满足要求

即可，无需过分追求较大的疲劳寿命水平。从这一角度上来说，在对液压支架强度可靠性

进行优化分析的`过程中，不需要单独将液压支架疲劳寿命作为优化目标，将其满足循环

寿命作为可靠性优化中的约束条件之一。从这一角度上来说，对于液压支架掩护梁而言，

基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计可以从如下角度进行分析

2.1设定负载水平

在现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，耐久性试验规范中要求采取内加载方式进行循环加载，加载压力交替设置为1.05*额定工作压力以及

0.25*额定工作压力。加载周期按照规范标准，设定为20000次。

2.2有限元优化分析

有限元分析过程当中，结构材料为Q460，弹性模量取值为210000.0MPa，密度标准值为7.85kg/m3，泊松比取值为0.3，结构屈服强度取值为460.0MPa。根据结构优化分析数据表，可在满足所设定疲劳寿命（即加载周期20000次）的条件下，最优方案为板材厚度T1，T2，T3分别取值为20.0mm，20.0mm，以及25.0mm，与之相对应的探测点1寿命水平为3.2*104，探测点2寿命水平为2.6*104。

3可靠性优化设计结果分析

根据以上分析数据，在最终确定可靠性优化设计方案的过程中，可以首先考虑适当减小T1板材厚度，然后可对T2板材厚度进行调整，最后是对T3板材厚度的控制。根据有限元分析结果，在满足液压支架掩护梁疲劳寿命以及应力水平基本要求的前提下，可先选几组性能较好的数据作为优选方案，展开进一步分析。备选数据方案如下表所示。

4结束语

对以上各个方案的可靠性优化结果进行对比分析：其中，对于A方案而言，在该组合下，液压支架掩护梁质量减小比例最大，虽然疲劳寿命有一定程度上的下降，但仍然能够满足所设定疲劳寿命（即加载周期20000次）的基本要求，同时应力变化较小。对于B方案以及C方案而言，虽然疲劳寿命取值有一定程度上的提高趋势，但同时应力值也对应下降，液压支架掩护梁质量减小状态不理想。对比A方案，D方案虽然能够使液压支架掩护梁的整体重量得到控制，但液压支架掩护梁的应力水平以及疲劳寿命改善效果均不理想。E方案虽然能够增大疲劳寿命，但也同时降低了最大应力水平，导致液压支架掩护梁质量与优化前差异不明显。故而，最终选择A方案作为可靠性优化方案。

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