CN108763705B - 一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，先确定防冲吸能支护构件的尺寸，并绘制三维模型；之后通过尺寸值计算得出屈服强度；然后通过屈服强度得到名义应力‑名义应变曲线；再计算出真实应变与真实应力曲线；最后利用有限元计算出防冲吸能支护构件承载力。本发明通过上述方法，提供了一种在保证精度的同时，降低了设计防冲吸能支护构件的设计成本的设计方法，解决了现有技术中存在的误差大、成本高的技术问题。

Description

一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法
技术领域
本发明涉及煤矿冲击地压防冲支护领域，具体涉及一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的增大，冲击地压越来越严重，造成巷道围岩冲击破坏，支架破坏，巷道坍塌，严重威胁到煤矿井下工作人员的生命安全。诱导式防冲吸能支护构件作为巷道防冲吸能液压支架的关键部件，可以与支架上其余部件协调作用瞬间吸收外来冲击能。目前通过结构与尺寸设计，以及实验室试验的压缩试验验证其承载力的方法来确定其设计的合理性，然而诱导式防冲吸能构件属于一次成型焊接工艺，结构尺寸设计伴随较大误差，必须通过多次的设计与试验验证来确定其承载力达到设计合理的目的。最终导致增加几十倍或几百倍的设计成本。如果想要采用简单方便以及合理的设计成本确定诱导式防冲支护构件，新的设计方法就显得尤为重要。
发明内容
针对以上问题，本发明创造提出了一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，先确定防冲吸能支护构件的尺寸，并绘制三维模型；之后通过尺寸值计算得出屈服强度；然后通过屈服强度得到名义应力-名义应变曲线；再计算出真实应变与真实应力曲线；最后利用有限元计算出防冲吸能支护构件承载力。本发明通过上述方法，解决了现有技术中存在的误差大、成本高的技术问题。
为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据巷道防冲液压支架的结构确定防冲吸能支护构件尺寸最大值以及最小值，并绘制三维模型；
2)根据防冲支护构件的长、宽、高，利用计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式，求出屈服强度，确定材料型号；
3)根据屈服强度，试验得到钢板试件的名义应力-名义应变曲线；
4)根据名义应力-名义应变曲线的关系，计算出出真实应变和真实应力，绘制真实应变与真实应力曲线；
5)采用有限元计算方式，得出防冲吸能支护构件承载力，具体为：
①根据绘制的三维模型，将模型导入到有限元实体部件中；
②根据得到的真实应变与真实应力曲线，以及钢板的物理力学参数，并赋值到有限元材料力学参数中；
③将步骤5-1得到的防冲吸能支护构件三维模型部件，划分为网格模型部件；
④设置防冲吸能支护构件的压缩过程，采用将底边固定约束，顶边施加一定的速度载荷来模拟防冲支护构件的整个压缩过程；
⑤计算得出在设定尺寸下防冲吸能支护构件的承载力。
步骤2)中，计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式为：Pm＝8.16σ0t3/2b1/2+2.04σ0t2，将厚度t和等效圆筒直径b代入到公式求出σ0，并根据材料屈服强度选择防冲吸能支护构件的钢材材料型号；
其中：Pm为平均承载力，即目标设计值，是根据支架工作阻力而确定的；
σ0为材料屈服强度；
t为厚度。
步骤3)中，具体试验方式为：
根据步骤2所选择的防冲吸能支护构件材料，选取试验件N个，进行力学性能拉伸试验最终取平均值，得到钢板试件的名义应力σnom-名义应变εnom曲线。
步骤4)中，具体为：
根据得到的名义应力-名义应变曲线得到名义应变εnom和名义应力σnom的关系，通过公式：
Figure BDA0001666156960000021
Figure BDA0001666156960000022
其中：l0为钢板拉伸试件原长；l为钢板试件拉伸后长度；F为测试得到的拉力；A为钢板试件拉伸横截面面积；A0为钢板拉伸试件原横截面面积。
计算出真实应变εtrue和真实应力σtrue，绘制真实应变与真实应力曲线。
步骤②中具体为：根据步骤4得到的真实应变与真实应力曲线，选取其中15-25组数据点，并且将防冲吸能支护构件所用钢板的物理力学参数同时赋值到有限元力学参数中，其中物理力学参数为密度参数、弹性模量参数，泊松比参数。
本发明创造的有益效果为：
本发明提出一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，根据理论计算与实验室力学性能拉伸试验得到防冲吸能支护构件基本参数，通过采用有限元计算来得到防冲吸能支护构件的承载力，对防冲吸能支护构件尺寸设计的压缩过程进行模拟，最终降低了设计防冲吸能支护构件的设计成本，也将为诱导式防冲吸能支护构件的设计方法提供了新方法。
附图说明
图1：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法流程图。
图2：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件的试验名义应变-名义应力曲线图。
图3：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件的试验真实应变-真实应力曲线图。
图4：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件设计的三维模型图。
图5：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件设计的网格模型图。
图6：本发明的一种诱导式防冲吸能支护构件设计的承载力曲线图。
其中：1-长、2-宽、3-高、4-厚度。
具体实施方式
一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据巷道防冲液压支架的结构确定防冲吸能支护构件尺寸最大值以及最小值，并绘制三维模型。
2)根据防冲支护构件的长、宽、高，利用计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式，求出屈服强度，确定材料型号；
具体为：计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式为：Pm＝8.16σ0t3/2b1/2+2.04σ0t2，将厚度t和等效圆筒直径b代入到公式求出σ0，并根据材料屈服强度选择防冲吸能支护构件的钢材材料型号；
其中：Pm为平均承载力，即目标设计值，是根据支架工作阻力而确定的；
σ0为材料屈服强度；
t为厚度。
3)根据屈服强度，试验得到钢板试件的名义应力-名义应变曲线；具体试验方式为：
根据步骤2所选择的防冲吸能支护构件材料，选取试验件N个，进行力学性能拉伸试验最终取平均值，得到钢板试件的名义应力σnom-名义应变εnom曲线。
4)根据名义应力-名义应变曲线的关系，计算出真实应变和真实应力，绘制真实应变与真实应力曲线；
具体为：
根据得到的名义应力-名义应变曲线得到名义应变εnom和名义应力σnom的关系，通过公式：
Figure BDA0001666156960000041
Figure BDA0001666156960000042
其中：l0为钢板拉伸试件原长；l为钢板试件拉伸后长度；F为测试得到的拉力；A为钢板试件拉伸横截面面积；A0为钢板拉伸试件原横截面面积。
计算出真实应变εtrue和真实应力σtrue，绘制真实应变与真实应力曲线。
5)采用有限元计算方式，得出防冲吸能支护构件承载力，具体为：
①根据绘制的三维模型，将模型导入到有限元实体部件中；
②根据得到的真实应变与真实应力曲线，以及钢板的物理力学参数，并赋值到有限元材料力学参数中；
具体为：根据步骤4得到的真实应变与真实应力曲线，选取其中15-25组数据点，并且将防冲吸能支护构件所用钢板的物理力学参数同时赋值到有限元力学参数中，其中物理力学参数为密度参数、弹性模量参数，泊松比参数；
③将步骤5-1得到的防冲吸能支护构件三维模型部件，划分为网格模型部件；
④设置防冲吸能支护构件的压缩过程，采用将底边固定约束，顶边施加一定的速度载荷来模拟防冲支护构件的整个压缩过程；
⑤计算得出在设定尺寸下防冲吸能支护构件的承载力。
实施例1：
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例，参照附图1所示的一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法流程图，包括以下步骤：
步骤1、根据巷道防冲液压支架的结构确定防冲吸能支护构件的长1、宽3、高2、厚4设计最大值以及最小值，利用机械绘图软件AutoCAD绘制防冲吸能支护构件的三维模型，其中由于防冲支护构件端口为方形，因此长1和宽3尺寸相同，如图4所示；
步骤2、根据防冲吸能支护构件的长、宽、高，利用计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式Pm＝8.16σ0t3/2b1/2+2.04σ0t2，将长、宽、高、厚度代入到公式求出σ0，其中，Pm为平均承载力(即目标设计值-根据支架工作阻力而定)；σ0为材料屈服强度；t为厚度；根据材料屈服强度选择防冲吸能支护构件的钢材型号。
步骤3、根据步骤2所选择的防冲吸能支护构件材料，选取试验件5个，进行力学性能拉伸试验最终取平均值，得到钢板试件的名义应力σnom-名义应变εnom曲线，如图2所示。
步骤4、根据步骤3中得到的名义应力-名义应变曲线得到名义应变εnom和名义应力σnom的关系，通过
Figure BDA0001666156960000052
和
Figure BDA0001666156960000053
计算出真实应变εtrue和真实应力σtrue，绘制真实应变与真实应力曲线，如图3所示。
步骤5、利用ABAQUS大型有限元计算软件计算出出防冲吸能支护构件的承载力，即得到承载力-位移曲线，具体步骤如下：
步骤5-1、根据步骤1绘制的AutoCAD三维模型，将三维模型导入到有限元实体部件中；
步骤5-2、根据步骤4得到的真实应变与真实应力曲线，选取其中20组数据点，并且将防冲吸能支护构件所用钢板的物理力学参数(密度、弹性模量、泊松比)同时赋值到有限元力学参数中；
步骤5-3、将步骤5-1得到的防冲吸能支护构件三维模型实体部件划分为网格模型部件，如图5所示；
步骤5-4、设置防冲吸能支护构件的压缩过程，采用将底边固定约束，顶边施加一定的速度载荷来模拟防冲支护构件的整个压缩过程；
步骤5-5、提交工作，计算得出在设定尺寸下防冲吸能支护构件的承载力，承载力值达到设计值并且误差允许范围内则计算模拟结束，如果模拟承载力值与设计值之间的误差超过允许范围，则重新选择防冲吸能支护构件尺寸，重复步骤2到步骤5，最终当误差在允许范围确定诱导式防冲吸能支护构件的设计；
本发明提出一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，根据理论计算与实验室力学性能拉伸试验得到防冲吸能支护构件基本参数，通过采用有限元计算来得到防冲吸能支护构件的承载力，对防冲吸能支护构件尺寸设计的压缩过程进行模拟，最终降低了设计防冲吸能支护构件的设计成本，也将为诱导式防冲吸能支护构件的设计方法提供了新方法。

Claims (1)

1.一种诱导式防冲吸能支护构件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据巷道防冲液压支架的结构确定防冲吸能支护构件尺寸最大值以及最小值，并绘制三维模型；
2)根据防冲吸能支护构件的长、宽、高，利用计算防冲吸能支护构件平均承载力的公式Pm＝8.16σ0t3/2b1/2+2.04σ0t2，将长、宽、高、厚度代入到公式求出σ0，其中，Pm为平均承载力；σ0为材料屈服强度；t为厚度；根据材料屈服强度选择防冲吸能支护构件的钢材型号；
3)根据步骤2所选择的防冲吸能支护构件材料，选取试验件5个，进行力学性能拉伸试验最终取平均值，得到钢板试件的名义应力σnom-名义应变εnom曲线；
4)根据步骤3中得到的名义应力-名义应变曲线得到名义应变εnom和名义应力σnom的关系，通过
Figure RE-FDA0003842449590000011
和
Figure RE-FDA0003842449590000012
计算出真实应变εtrue和真实应力σtrue，绘制真实应变与真实应力曲线；其中：l0为钢板拉伸试件原长；l为钢板试件拉伸后长度；F为测试得到的拉力；A为钢板试件拉伸横截面面积；A0为钢板拉伸试件原横截面面积；
5)采用有限元计算方式，得出防冲吸能支护构件承载力，具体为：
步骤5-1、根据步骤1绘制的AutoCAD三维模型，将三维模型导入到有限元实体部件中；
步骤5-2、根据步骤4得到的真实应变与真实应力曲线，选取其中20组数据点，并且将防冲吸能支护构件所用钢板的密度、弹性模量、泊松比物理力学参数同时赋值到有限元力学参数中；
步骤5-3、将步骤5-1得到的防冲吸能支护构件三维模型实体部件划分为网格模型部件；
步骤5-4、设置防冲吸能支护构件的压缩过程，采用将底边固定约束，顶边施加一定的速度载荷来模拟防冲支护构件的整个压缩过程；
步骤5-5、提交工作，计算得出在设定尺寸下防冲吸能支护构件的承载力，承载力值达到设计值并且误差允许范围内则计算模拟结束，如果模拟承载力值与设计值之间的误差超过允许范围，则重新选择防冲吸能支护构件尺寸，重复步骤2到步骤5，最终当误差在允许范围确定诱导式防冲吸能支护构件的设计。
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