X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Во время ведения горных работ происходят обрушения нави­сающего массива у угольных пластов и выработок. За период с 2006 по 2010г.г. на шахтах Донбасса произошло до 88 обрушений кровли (это 33,5% аварий на шахтах) при этом травматизм составил 43%. Основная причина обрушения вмещающих кровли и отжима угля в забой – ненадежное крепление кровли очистных выработок.

В капитальных и подготовительных выработках, как правило, обрушения происходят, на незакрепленных участках между забоем выработки и креплением, а также в том случае если крепь не имеет плотного контакта с кровлей и почвой или при недостаточном сопротивлении крепи.

В очистных выработках обрушение пород кровли может пред­ставлять опасность для людей, работающих в лавах, в основном на участках между забоем выработки и крепью, а также в зонах сопряжения лавы с подготовительной выработкой.

Горно-геологические и горнотехнические условия, при кото­рых могут произойти обрушения определяются состоянием массива угольных пластов и пород у горных выработок, наличием крепи, а также управляемости взаимодействием системы "крепь - массив". Опасности об­рушения особенно обостряются в зонах геологических нарушений.

По мере расширения области применения механизированных комплексов в очистных выработках на больших глубинах и сложных условиях, особенно при применении щитовых крепей, значительно увеличивается расстояние между забоем и первым рядом стоек крепи, в связи с чем актуальность работ по уточнению особенностей взаимодействия крепи с боковыми породами возрастает и необходимы методики учитывающие как особенности строения пород, схемы взаимодействия с опорными элементами, особенности налегания и сдвижения пород, а также конструктивные особенности крепи.

Практика применения механизированных комплексов в сложных горно-

геологических условиях показала, что недостаточное внимание взаимодействию крепи с кровлей и почвой, приводит к авариям надолго сдерживающим очистные работы, а также сдерживает разработку новых схем выемки.

Исследование этих вопросов позволит повысить техническую производительность механизированного комплекса за счет учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи с боковыми породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое, а также предложить новые схемы выемки.

В данной работе был исследован случай взаимодействия козырька механизированной крепи с горным массивом в программной системе ANSIS, результатами которого является картина напряженно деформированного состояния козырька и пальца соединяющего его с перекрытием. Так же созданная модель может являться универсальным средством расчета козырька для крепи при заданных условиях. К этому же козырьку можно применить теорию взаимодействия опорных элементов с неравномерной поверхностью. Это соответствует реальным условиям взаимодействия крепи с кровлей и будет содействовать созданию аппаратных средств для уточненного расчета состояния очистных и подготовительных забоев

1. Схемы взаимодействия крепи с кровлей

1.1 Особенности взаимодействия крепи с кровлей

Козрек, если рассматривать плоский контакт с неровной кровлей взаимодействует с ней в 2 зонах, расположение которых равновероятно по его длине, рис.1. Используя основные положения [1- 4] и считая, что шарнирное крепление верхняка допускает повороты только в плоскости подвигания лавы, получим следующие выражения для определения распределения сопротивления по линии взаимодействия:

Rлi=Q*J/(J+i) - m0*(1/(Δ*(J+i)) слева от шарнира

i=1 ; J=1,2,3,4,5

Rл1 ср = R11+R12+R13+R14+R15

для примера расчитываем нагрузку на участок i=1 слева от шарнира. При этом контакты справа пробегают значения от j=1 до 5. Затем вычисляется сумма нагрузок на участок 1 и её средняя величина делением на 5.

i=2 ; J=1,2,3,4,5

Rл2 ср = R21+R22+R23+R24+R25

........................

i=4 ; J=1,2,3,4,5

Rл4 ср = R41+R42+R43+R44+R45

Rпj=Q*i/(J+i) + m0*(1/(Δ*(J+i)) справа от шарнира

где mл, mп - соответственно количество участков разбиения слева и справа от шарнира верхняка;

Pj, Pi – соответственно вероятности контактирования J и I участках;

Qj ср, Qi ср – соответственно величины среднего сопротивления на участках J и I;

Qx – вертикальная реакция в шарнире верхняка секции крепи;

L – длина верхняка;

Mo – момент, развиваемый гидропатроном.

Если считать появление контактов равновероятными, то будем иметь:

Pл = ; Pп = ;

и расчеты по вышеприведенным выражениям существенно упростятся. Отметим, что приведенные выражения действительны в том случае, если Q1 будет сохранять положительные значения так, как отрицательные в данном случае не имеют смысла и при Q1 < 0 будет происходить потеря i-го контакта [1-6].

 

Рисунок 1. Схема для определения сопротивлений по линии взаимодействия верхняк - кровля

Полагая Qj =0 получим условие для минимального момента M , при котором еще не происходит потери контакта; причем наименьшее значение M будет при контакте в забойной части козырька на первом участке, т.е.:

 

Mo = ,

Приведенные формулы не учитывают также возможности возникновения вторичных контактов на забойной части козырька при потере i-х, тогда из общего количества возможных контактов mл, mп, часть контактов будет накладывать на общее распределение сопротивлений «фон» ошибок, которые проще учесть при ЭВМ расчетах. На рисунке 5. 2 приведены кривые распределения сопротивлений по линии взаимодействия верхняка и кровли. Как следует из анализа кривых, применение гидропатрона позволяет повысить сопротивление над забойной частью за счет снижения сопротивления над завальной частью верхняка (кривые 1 и 4). Наиболее равномерное распределение достигается при m /m =1, M =0 (кривая 1), где m и m соответственно длина завальной и забойной части верхняка. С уменьшением m /m снижается сопротивление над забойной частью. Очевидно, что это снижение можно компенсировать соответствующим подбором сопротивления гидропатрона. Поэтому для верхняка оградительно-поддерживающей крепи следует придерживаться условия m /m =1, а при невозможности его придерживаться для дополнительной поддержки верхняков необходимо использовать гидропатроны, с усилием поджатия, обеспечивающим относительное равномерное сопротивление по длине верхняка. Однако необходимо учитывать, что величина сопротивления Q

Для облегчения усвоения методик о контактируемости и особенностей их применения схемы данных задач и программы моделирования были внедрены в систему электронных таблиц Excel и встроенный макроязык VBА, что облегчает студентам освоение основных понятий и делает возможным совершенствование решений. Ниже приведён один из фрагментов программы для расчёта вероятности контактирования. Укажем также, что в основном все данные получены на основе моделирования процесса на ЭВМ, поскольку в этом случае удается рассмотреть сложные конструкции и быстро учитывать пожелания заказчика

Sub Неравновер()

' макрос записан 30.07.2010 каким

A = Cells(17, 2).Value: b = Cells(19, 2).Value: xo = Cells(20, 2).Value

L = Cells(18, 2).Value: F = Cells(21, 2).Value

For K = 1 To (xo / A - 1)

For i = (xo / A + 1) To L / A

‘Вероятность контактирования

pik = ((A ^ 2 * (i - K) + A * (xo - 2 * K * A + A + L)) / ((L - xo) * (L + xo - 2 * K * A)))

Cells(K + 2, i + 12).Value = pik

‘Распределение нагрузки

Rin = F * (xo - K * A) / (i * A - K * A)

Cells(K + 16, i + 5).Value = Rin

Next i

Next K

For K = (xo / A + 1) To L / A

For i = 1 To (xo / A - 1)

‘Распределение нагрузки в правой части

Rir = F * (xo - i * A) / (K * A - i * A)

Cells(K + 22, i + 15).Value = Rir

Next i

Next K

Полученные формулы позволяют подобрать, зная общую величину нагрузки на верхняк и его геометрию сопротивление гидропатрона, а затем провести проектирование и прочностной расчет верхняка для самой опасной из случайных схем нагружения.

Существуют и более сложные схемы взаимодействия, так как в самом деле вероятность контакта участка верхняка с кровлей возрастает пропорционально его расстоянию от шарнира. Чем дальше от шарнира и ближе к концу верхняка вероятность возрастает, а значит на концах контактирование чаще. Кроме вышеприведенных программ имеются интегральные выражения позволяющие аналитическим путем получать нужные распределения. Однако с усложнением конструкции верхняка, например при наличии гидропатронов формулы резко усложняются и расчет легче выполнять программно. Кроме того это упрощает ситуацию при построении козырька в 3 d, когда формулы становятся непозволительно большими. Далее разработаем в 3 d конструкцию козырька с применением системы автопроектирования. Причем геометрию построения и анализ напряженного состояния тоже выполним в пакете Ansys Ansys.

1.2 Построение сложных расчётных схем с применением пакетов автопроектирования

Ansys уже более четверти века входит в число лидирующих тяжелых конечно-элементных расчетных комплексов. Начинавшийся как система для внутреннего использования фирмы Westinghouse Electric, Ansys проник из своей “материнской” области, ядерной энергетики, во все области промышленности, завоевав доверие многих тысяч пользователей по всему миру. Такой успех достигнут на основании следующих важнейших отличительных особенностей:

Ansys – вначале был единственная конечно-элементная система с таким полным охватом явлений различной физической природы: прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач, объединяющих все перечисленные виды; широкая интеграция, импорт и экспорт данных со всеми CAD / CAE / CAM – системами; открытость (то есть модифицируемость и дополняемость);Самый высокий показатель “эффективность/стоимость”.

Среди множества конечно-элементных программных комплексов Ansys – первый разработанный и сертифицированный согласно международным стандартам ISO 9000 и ISO 9001. Он предоставляет уникальную по полноте и самую обширную по содержанию современную систему help на основе гипертекстового представления, доступ к которой осуществляется в интерактивном режиме online.

Препроцессор Ansys позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами, но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем. Надо отметить, что геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат Ansys, и деталь не подменяется “неприкасаемой” конечно-элементной сеткой. Пользователь может удалять несущественные мелкие подробности, достраивать определенные детали, проводить сгущение/разрежение сетки и другие важнейшие операции , без которых дальнейшее решение может быть совершенно некорректно или вообще окажется недостижимым. Построение поверхностей, твердотельной и каркасной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического построителя.

Как уже отмечалось, Ansys позволяет решать проблемы прочности, теплофизики, гидрогазодинамики, электромагнетизма совместно с расчетом усталостных характеристик и процедурами оптимизации. Единая система команд и единая база данных полностью исключают проблемы интеграции и взаимного обмена между указанными сферами. Более того, в программе использованы специализированные конечные элементы, имеющие, помимо перемещений и поворотов в узлах, степени свободы по температуре, напряжению и др., а также переключения типа элемента , например электромагнитного на прочностной. Благодаря этому, в программе реализованы уникальные возможности проведения связанного анализа. Оптимизация конструкции, таким образом, может вестись с учетом всего многообразия физических воздействий на нее.

В результате многолетнего сотрудничества фирм ANSYS Inc. и LSTC в программу включен модуль ANSYS/LS-DYNA – полностью интегрированная в среду Ansys всемирно известная программа для высоконелинейных расчетов LS-DYNA. Соединение в одной программной оболочке традиционных методов решения с обращением матриц и математического аппарата программы LS-DYNA, которая использует явный метод интегрирования, позволяет переходить с неявного на явный метод решения и наоборот. Описанный подход объединяет преимущества обоих методов и позволяет численно моделировать процессы формования материалов, анализа аварийных столкновений (например, автомобилей) и ударов при конечных деформациях, нелинейном поведении материала и контактном взаимодействии большого числа тел. С использованием этой функции перехода могут быть решены задачи динамического поведения предварительно напряженных конструкций (попадание птицы в преднапряженную турбину двигателя, сейсмический анализ сооружений, нагруженных, например , собственным весом и т.д.) и задачи исследования разгрузки конструкций, подвергнутых большим деформациям (упругое пружинение тонкого штампованного листа и т.д.).Однако динамические задачи все-таки лучше выполнять на специальных пакетах, например Adams, но при этом выполнять передачу данных из одного пакета в другой.

1.3 ADAMS(Mechanical Dynamics, Inc.)

На сегодняшний день ADAMS находит применение в автомобилестроении, авиастроении, космонавтике, железнодорожном транспорте, общем машиностроении, судостроении, робототехнике, приборостроении, биомеханике и даже в индустрии отдыха и развлечений.

ADAMS предоставляет пользователям следующие возможности:

Создавать компьютерную модель системы из жестких и деформируемых элементов, соединенных между собой различными связями и шарнирами;

Создавать параметризованную модель на базе ядра твердотельного моделирования Parasolid , а также обмениваться геометрическими моделями в форматах IGES, STEP, DXF, DWG, STL;

Визуализировать модель конструкции мощными средствами графики;

Задавать вынужденные перемещения и движения элементов системы и прикладывать активные внешние силы и моменты;

Проводить статический, динамический и кинематический анализ системы;

Визуализировать движение системы и фиксировать заданные события;

Анализировать влияние вариаций параметров конструктивных элементов на поведение системы (анализ чувствительности);

Оптимизировать изделие по заданному критерию;

Получать результаты анализа в удобном для оценке и интерпритации виде: графики, таблицы, анимация (высококачественная анимация, в том числе и специализированная – с “точки зрения водителя”, облет движущегося изделия камерой по заданной траектории, “следящая камера” и т.д.);

Производить двухсторонний обмен информацией с программными комплексами автоматизированного проектирования, конечно-элементного анализа, анимации;

Настраивать комплекс под типовые задачи конкретного пользователя;

Использовать специализированные модули, ориентированные на конкретные области техники (автомобильная, железнодорожная);

Определять все параметры движения системы как из абсолютно жестких, так и из упругих звеньев; вычислять усилия в связях и реакции в опорах с полной историей изменения по времени, приходящие усилия на элементы управления; определять взаимное перемещение составных частей, перемещение и углы поворота в шарнирах ; проводить статический и модальный анализ и многое другое.

2.Механизированные крепи

1.  
   Классификация механизированных крепей и их составные части

Механизированная крепь поддерживает боковые породы в забоях обеспечивая процессы крепления и управления кровлей и передвижение забойного оборудования, рисунок 2. Все современные механизированные крепи используют в качестве рабочей жидкости для гиропривода водомасляную эмульсию (98% воды и 2% специальной присадки).

Механизированные крепи различают:

- способом поддержания пород;

- кинематическими связей между секциями и другими машинами агрегата;

- по механизмам передвижки секций

Рисунок 2. Поддерживающе-оградительная крепь

В основном сегодня применяются поддерживающе-оградительные и оградительно-поддержи­вающие.

Первые в основном под­держивают породы кровли в забое, а оградительная часть препятствует проникновению обрушенных пород кровли со стороны выработанного пространства.

Вторые имеют небольшой поддерживающий козырек и мощное наклонное щитовое ограждение. (В Караганде это крепь советского производства ОКП - 70)

Передвижение:

- передвижка осуществляется поочередно вслед за движением комбайна;

- одновременно по всей длине забоя (обычно группы секций);

Схема передвижки зависит от конструкции и состояния забоя.

Кинематическим связи обычно соединяют секции с конвейером, а на крутых и наклонных пластах иногда и соседние секции.

Маневренными, легко заменяемыми, являются комплектные крепи связанные в группы или никак не связанные, так предполагают использовать и роботизированные секции крепи.

Если передвижка крепи на свежую полосу задерживается предусматриваются выдвижные или поворотные верхняка для подхвата обнажения.

Выбор типов механизированных крепей зависит от уловий разработки, а также от угла падения угольного пласта, но часто это определяется их наличием у предприятия.

К механизированным крепям предъявляются следующие требования:

- надежное обеспечение поддержания кровли в призабойном пространстве;

- управление кровлей со стороны выработанного пространства очистного забоя;

- защита призабойного пространства от проникновения обрушенных пород;

- механизированная передвижка конвейера как вслед за подвиганием комбайна, так и одновременно по всей длине лавы;

- скорость передвижки крепи должна быть не менее скорости движения комбайна;

- обеспечение свободного прохода для людей шириной не менее 0,7 м и высотой 0,4 м.

Механизированная крепь состоит из следующих основных элементов:

- поддерживающие – перекрытие кровли пласта, поддерживающее ее и предотвращающее высыпание пород в призабойном пространстве;

- несущие – гидравлические стойки одинарной или двойной раздвижности;

- опорные – цельное основание секций или опоры несущих гидравлических стоек;

- защитные или оградительные, предотвращающие попадание со стороны выработанного пространства обрушенной породы;

- гидродомкраты передвижки и управления перекрытиями.

Поддерживающие элементы крепи выполнены в виде цельнометаллического перекрытия с рессорными консолями, с выдвижными верхняками опорами, поддерживающими верхнюю пачку угольного пласта от обрушения.

Несущие элементы – гидравлические стойки. Механизированные крепи могут быть одностоечными, рамными и кустовыми. В зависимости от числа рядов стоек они бывают однорядными, двухрядными и трехрядными.

На тонких и средней мощности пологих и крутых пластах рекомендуется применять крепи двойной гидравлической раздвижности и постоянного сопротивления. При распоре такой стойки вначале выдвигается первая ступень, затем вторая. В момент распора реакция стоек составляет 100...400 кН. По мере роста внешней нагрузки реакция возрастает до рабочего сопротивления.

Давление, при котором срабатывает предохранительный клапан и происходит эффект податливости, составляет около 50 МПа. Предохранительный клапан служит для обеспечения заданного сопротивления стоек сближающимся боковым породам, а также для предохранения основных элементов крепи от перегрузки.

Гидродомкраты механизированных крепей выполняют функции по передвижению секций, базовых элементов, конвейера, выдвижных или подвижных элементов перекрытия и др.

По характеру работы гидродомкраты бывают односторон-него и двустороннего гидравлического действия. По характеру конструкции – одинарной и двойной раздвижности. Наибольшее применение нашли гидродомкраты одинарной раздвижности. Раздвижность гидродомкрата равна ширине захвата выемочной машины или кратна ей.

Козырек механизированной крепи

3.1 Скалывающий козырек секции механизированной крепи

При применении демпфирующих гидростоек [1-5] в результате шахтных замеров системы козырек - гидростойка с регулируемой несущей способностью установлено, что демпфирование нагрузок достигает 39% и наибольшие нагрузки на козырьке крепи не превышали 30-36 кН/м2. При испытании системы с серийной гидростойкой наибольшие нагрузки на козырьке составили 38-46 кН/м . Шахтные исследования системы козырек - гидростойка с регулируемой несущей способностью - основание показали, что надежность элементов, взаимодействующих с вмещающими породами, повысилась на 25-33 %. Из этих исследований следует, что разработка моделей взаимодействия козырька с кровлей актуальна. Кроме того выдвижные козырьки оснащают резцами и их называют скалывателями для разрушения пачки, которую оставляют для удержания слабых неустойчивых пород, если они имеются над крепью.

Скалывающий козырек секции механизированной крепи включает пустотелый короб, в котором с возможностью поступательного передвижения по роликам установлен выдвижной скалыватель с направляющими балками. На задних концах направляющих балок на осях установлены ролики. В верхней части короб выполнен с клином, вершина которого обращена вниз. Клин расположен с возможностью взаимодействия его наклонной поверхности с роликами. Длина клина меньше длины короба, а верхняя часть скалывателя выполнена с выемкой под клин короба. При подаче рабочей жидкости в гидроцилиндр его шток, шарнирно соединенный с отбойным клином, выдвигает скалыватель из короба. Для увеличения или уменьшения вынимаемой мощности пласта скалывающий козырек вращают вокруг шарнира гидроцилиндром.

Техническим результатом изобретения является снижение выхода мелких классов при разрушении угля скалывающим козырьком секции механизированной крепи, снижение энергоемкости разрушения угля и других горных пород и уменьшение выхода негабарита.

Скалыватели устанавливаются на скалывающем козырьке секции механизированной крепи. Они расставляются по всей ширине козырька с заданным шагом.

В Караганде лучшие показатели были достигнуты при применении крепи ОКП -70, поэтому для разработки козырька кроме консольной формы примем конструктивную форму характерную для этой крепи. В ней козырек имеет шарнирное крепление к верхняку в районе срединной зоны, что обеспечивает относительно равномерное распределение сопротивлений по линии взаимодействия. Имеется и недостаток. Порода может забить зазор между завальной частью козырька и перекрытием, затрудняя его повороты. Тогда эту часть выполняют уже секции крепи, так что бы она входила в паз перекрытия.

Конечно элементное моделирование в ANSYS

4.1 Основное назначение ANSYS

ANSYS – программное обеспечение, позволяющее решать следующие задачи:

1. Построение модели конструкции (геометрия, реологические свойства, краевые условия) или импорт их из CAD¹ систем.

2. Изучение реакции конструкции на различные физические воздействия, такие, как воздействие различных нагрузок, температурных и электромагнитных полей, решение задач механики жидкости и газа.

3. Оптимизация геометрии конструкции.

Программа ANSYS Для удобства пользования имеет графический интерфейс пользователя (ГИП), предоставляющий быстрый доступ к различным функциям, командам, а также к обширной HELP – системе.

Работа программы ANSYS организована в два уровня:

• начальный уровень (Begin level);

• процессорный уровень.

Работа программы ANSYS начинается с начального уровня (Begin level). На этом уровне доступны команды работы с файлами (сохранение, удаление, переименование и т.д.).

На процессорном уровне доступны несколько процессоров. Каждый процессор предоставляет доступ к различным функциям и командам. Список наиболее часто используемых процессоров и задач, с помощью них решаемых, приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Процессор		Функция		Путь в ГИП		Команда
PREP7		Построение геометрической модели объекта, задание реологических свойств и краевых условий.		Main Menu > Preprocessor		/PREP7
SOLUTION		Задание краевых условий, выбор решателя, спецификация решателя, решение.		Main Menu > Solution		/SOLUTION
POST1		Обзор результатов решения для стационарного случая или по шагам нагрузки или времени. Средства вывода в файл. Графическая визуализация. Анимация.		Main Menu > General Postproc		/POST1
POST26	Обзор результатов решения в виде графиков результат – шаг нагрузки или результат – время.		Main Menu > TimeHist Postpro		/POST26

Работать с программой ANSYS можно с помощью как графического интерфейса пользователя (ГИП) – интерактивный режим, так и с помощью команд – командный режим.

4.2. Командный режим в ANSYS

Каждое действие, производимое с помощью ГИП, можно выполнить с помощью команды, вводя ее в окно меню ANSYS Input. Все эти команды отражаются в LOG-файле. ANSYS содержит около 1000 команд, используемых для различных целей. С помощью этих команд можно запрограммировать необходимые для анализа действия. Исполнить программу можно по пути в меню Utility Menu > File > Read Input from.

Для написания программы в ANSYS используются следующие правила:

1. В каждой строке должен быть один оператор.

2. Допускается применение в одной строке нескольких операторов, при этом их необходимо разделять знаком $. (Хотя это делать не рекомендуется из-за плохой читаемости программы.)

3. Максимальное число знаков в строке, включая пробелы и разделители $, не должно превышать 130.

4. В ANSYS отсутствует типизация переменных, в связи с этим не требуется описание типов переменных. Все переменные, организуемые пользователем, воспринимаются как действительные.

5. Специфицированные в ANSYS переменные распознаются автоматически. Так, например, если при задании целой переменной (например, число слоев в пакете пластин и др.) задать действительное число, то программа округлит это число до ближайшего целого. Для таких переменных пределы используемых чисел: 0-9999999. Если будет задано не числовое значение, то возникнет ошибка. Если не будет задано ничего, то ANSYS присвоит значение 0.

6. Для задания действительных чисел используется десятичная точка. Для чисел в экспоненциальной форме можно применять формы записи с E и D. Например, число 25000 может быть записано в форме 25E3 или 25D3.

7. Допустимые пределы изменения переменной: от ±10^-60 до ±10⁶⁰.

8. Для имен переменных используются латинские буквы, при этом в именах не допускаются символы: ! @ # $ % & ^ * ( ) _ - + = | { } [ ] “ ‘ / < > ~

9. Комментарии в командной строке записываются, используя !.

Поскольку в расчетах по умолчанию используется британская система мер, то для перехода к системе единиц СИ необходимо задать команду /UNITS. Данная команда недоступна из ГИП и должна непосредственно вводиться в командное окно: /UNITS, SI. Стоит отметить, что во многих задачах это делать не обязательно.

4.3 Метод конечных элементов (МКЭ)

Возникновение МКЭ связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже потом был осмыслен математиками, которые часто называли данный метод вариационно-разностным, подчеркивая тем самым его математическую природу. Они занимаются математическим обоснованием МКЭ, т.е. проводят теоретический анализ его сходимости и точности результатов. Представители же инженерного направления решают довольно сложные технические задачи, часто не задумываясь над строгим обоснованием применяемых ими приемов, а построенные алгоритмы и программы проверяют на известных точных решениях.

Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил после того, как было доказано (1963 г.), что этот метод можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея – Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия.

Связь МКЭ с процедурой минимизации позволила широко использовать его при решении задач в других областях техники. Метод применялся к задачам, описываемым уравнениями Лапласа или Пуассона (например, электромагнитные поля). Решение этих уравнений также связано с минимизацией некоторого функционала. Известны решения с помощью этого метода задач распространения тепла, задач гидромеханики и, в частности задач о течении жидкости в пористой среде.

Область применения МКЭ существенно расширилась, когда было показано (1968 г.) что уравнения, определяющие элементы в задачах строительной механики, распространения тепла, гидромеханики, могут быть легко получены с помощью таких вариантов метода взвешенных невязок, как метод Галеркина или способ наименьших квадратов. Установление этого факта в теоретическом обосновании МКЭ, т.к. позволяло применять его при решении многих типов дифференциальных уравнений. Таким образом, МКЭ из численной процедуры решения задач строительной механики превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений или систем дифференциальных уравнений.

Краткая сущность МКЭ. Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.

В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна, и нежно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель, однако, очень легко построить, если сначала предположить, что известны значения этой величины в некоторых внутренних точках области (в дальнейшем эти точки мы назовем «узлами»). После этого можно перейти к общему случаю.

Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом:

Область определения непрерывной величины разбивается на конечное подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.

В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.

Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности еще предстоит определить путем наложения на них дополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи.

Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значения исследуемой величины внутри области.

В сплошной среде число связи точки бесконечно, и именно это составляет основную трудность получения численных решений в теории упругости. Понятие «конечных элементов» представляет собой попытку преодолеть эту трудность путем разбиения сплошного тела на отдельные элементы, взаимодействующие между собой только в узловых точках, в которых вводится фиктивные силы, эквивалентным поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Если такая идеализация допустима, то задача сводится к обычной задаче строительной механики, которая может быть решена численно[7-13].

5. Проектирование и расчет козырька механизированной крепи

5.1. Блоккоманд

/NOPR

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7!Выбор материала

units, Si!расчеты ведутся в системе Si

ET, 1, SOLID92!выбор типа конечного элемента

MPTEMP,,,,,,,, !выбор материала

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,5,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 1 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 2 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,10,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 3 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,8,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 4 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,10,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 5 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,6,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 6 СЕКТОРА

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,9,,2e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3! ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ 7 СЕКТОРА

x1=0

x2=1.50

y1=0

y2=0.03

z1=0

z2=0.5

b=0.03

k,21,0,0,0.235,

k,22,1.3,0,0.235,

k,23,1.3,-0.05,0.235,

k,24,0.15,-0.22,0.235,

k,25,0,-0.22,0.235, ! координаты для точек нижней части козырька

l,21,22

l,22,23

l,23,24

l,24,25

l,25,21

al, all ! соединение точек линиями

block x1,x2,y1,y2,z1,z2

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,1

VEXT,P51X, , ,0,0,0.03,,,,

vglue, all ! Склеивание всех деталей

CYL4,0.085,-0.135,0.035, , , ,0.270

VSBV, 2, 1

FLST,3,2,6,ORDE,2

FITEM,3,3

FITEM,3,-4

VGEN,2,P51X, , , , ,0.5, ,0

FLST,2,2,6,ORDE,2

FITEM,2,1

FITEM,2,3

VGLUE,P51X

LSTR, 24, 43

LSTR, 23, 42

al,11,10,3,63,

FLST,2,4,4,ORDE,4

FITEM,2,3

FITEM,2,10

FITEM,2,-11

FITEM,2,63

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,3

VEXT,P51X, , ,0,-0.03,0,,,,

LSTR, 44, 25

FLST,2,4,4

FITEM,2,75

FITEM,2,4

FITEM,2,10

FITEM,2,64

AL,P51X

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,36

VEXT,P51X, , ,0,-0.03,0,,,,

FLST,2,4,6,ORDE,3

FITEM,2,2

FITEM,2,-4

FITEM,2,6

VGLUE,P51X

CYLIND,0.08, ,0.270,0.730,-90,90,

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,3

VGEN, ,P51X, , ,0.08,-0.135, , , ,1

BLOCK,0.08,-0.2,-0.055,-0.215,0.270,0.73,

FLST,2,2,6,ORDE,2

FITEM,2,3

FITEM,2,6

VGLUE,P51X

CYL4,0.085,-0.135,0.035, , , ,0.55

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,6

VGEN, ,P51X, , , , ,0.225, , ,1

CYLIND,0.1, ,0.42,0.45,-171.6,8.4,

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,10

VGEN, ,P51X, , ,0.55,-0.1908538506, , , ,1

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,10

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,10

VGEN,2,P51X, , , , ,0.13, ,0

FLST,2,3,6,ORDE,3

FITEM,2,7

FITEM,2,10

FITEM,2,-11

VADD,P51X

CYLIND,0.015, ,0.4,0.6,0,360,

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,7

VGEN, ,P51X, , ,0.558,-0.25, , , ,1

VSBV, 12, 7

FLST,2,2,6,ORDE,2

FITEM,2,3

FITEM,2,9

VSBV,P51X, 6

CYL4,0.085,-0.135,0.035, , , ,0.55

FLST,3,1,6,ORDE,1

FITEM,3,3

VGEN, ,P51X, , , , ,0.225, , ,1

vmesh, all ! сетка

CM,_NODECM,NODE ! делаем контактные пары на проушине с втулкой

CM,_ELEMCM,ELEM

CM,_KPCM,KP

CM,_LINECM,LINE

CM,_AREACM,AREA

CM,_VOLUCM,VOLU

MP,MU,1,0.2

MAT,1

MP,EMIS,1,7.88860905221e-031

R,4

REAL,4

ET,4,170

ET,5,174

R,4,,,10,0.05,0,

RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,

RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5

RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0

KEYOPT,5,4,0

KEYOPT,5,5,0

KEYOPT,5,7,0

KEYOPT,5,8,0

KEYOPT,5,9,0

KEYOPT,5,10,2

KEYOPT,5,11,0

KEYOPT,5,12,0

KEYOPT,5,2,0

KEYOPT,4,5,0

ASEL,S,,,18

ASEL,A,,,19

ASEL,A,,,23

ASEL,A,,,25

ASEL,A,,,56

ASEL,A,,,57

CM,_TARGET,AREA

TYPE,4

NSLA,S,1

ESLN,S,0

ESLL,U

ESEL,U,ENAME,,188,189

ESURF

CMSEL,S,_ELEMCM

ASEL,S,,,36

ASEL,A,,,37

CM,_CONTACT,AREA

TYPE,5

NSLA,S,1

ESLN,S,0

ESURF

ALLSEL

ESEL,ALL

ESEL,S,TYPE,,4

ESEL,A,TYPE,,5

ESEL,R,REAL,,4

ESEL,ALL

ESEL,S,TYPE,,4

ESEL,A,TYPE,,5

ESEL,R,REAL,,4

CMSEL,A,_NODECM

CMDEL,_NODECM

CMSEL,A,_ELEMCM

CMDEL,_ELEMCM

CMSEL,S,_KPCM

CMDEL,_KPCM

CMSEL,S,_LINECM

CMDEL,_LINECM

CMSEL,S,_AREACM

CMDEL,_AREACM

CMSEL,S,_VOLUCM

CMDEL,_VOLUCM

CMDEL,_TARGET

CMDEL,_CONTACT

CM,_CWZ_EL,ELEM

CM,_CWZ_ND,NODE

CM,_CWZ_KP,KP

CM,_CWZ_LN,LINE

CM,_CWZ_AR,AREA

CM,_CWZ_VL,VOLU

ESEL,NONE

ESEL,A,REAL,,3

ESEL,R,ENAME,,169,177

NSLE

KSLN,S

LSLK,S,1

ASLL,S,1

EPLOT

CMSEL,S,_CWZ_EL

CMDEL,_CWZ_EL

CMSEL,S,_CWZ_ND

CMDEL,_CWZ_ND

CMSEL,S,_CWZ_KP

CMDEL,_CWZ_KP

CMSEL,S,_CWZ_LN

CMDEL,_CWZ_LN

CMSEL,S,_CWZ_AR

CMDEL,_CWZ_AR

CMSEL,S,_CWZ_VL

CMDEL,_CWZ_VL

cwzplot ! завершение контактной задачи

FLST,2,1,5,ORDE,1 ! закрепление поверхности

FITEM,2,50

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,50

DA,P51X,ALL,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,32

DA,P51X,ALL,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,50

DA,P51X,ALL,

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,58

FITEM,2,-59

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,58

FITEM,2,-59

SFA,P51X,1,PRES,600

SOLVE ! Расчет

ESEL,S,ENAME,,174

! Контактное напряжение

FINISH

5.2. Проектирование модели в ANSYS

Построим блок, делаем выдавливание на 0,03, затем параллельно к нему нижнюю часть козырька и тоже по оси z делаем выдавливание на 0,03. склеиваем двух элементов с помощью команды GLUE.

Делаем отверстие на нижней части козырька, для этого определим координаты и вставляем туда цилиндр

Копируем командой COPY и склеиваем полученные детали.

Закрываем нижнюю часть козырька блоком, для этого соединяем точки линиями и создаем объем, потом его выдавливаем, так получим блок.

Остальную часть тоже таким методом закрываем и получаем такой вид козырька.

Склеиваем всех деталей нижней части козырька.

Затем делаем проушину. Проушина должна крепиться через отверстие на нижней части. Для этого создаем полуцилиндр на оси z и с командой Move переместим его нужной координате.

Построим остальную часть проушины. Делаем это таким же методом но вместо полуцилиндра будет блок. Склеиваем две части проушины.

Затем необходимо вставить втулку, соединяющий козырек с проушиной. Для этого делаем цилиндр и переместим по оси z в нужную координату.

После этого необходимо сделать вторую проушину где будет крепиться гидроцилиндр, оттуда мы подаем нагрузку для расчета. Для этого создаем полуцилиндр и переместим его на нужную координату. Затем копируем и получаем нужную деталь. Вторую проушину необходимо соединять с нижней части козырька с командой Add.

Затем сделаем отверстие на второй проушине, оттуда мы подаем нагрузку. Отверстие сделаем ранее сделанным методом с помощью цилиндра. В итоге получим следующее.

Для того чтобы первая проушина вращалась на втулке создаем контактную пару с использованием Contact Wizard. По классификации ANSYS контактная пара относится к типу «поверхность – поверхность». Выделяем поверхности, при этом важно правильно выделить соответствующую поверхность.

Построение сетки. Сетку строим с помощью программы MESH. Для свободного построения сетки выбираем FREE.

Приложение нагрузок. Закрепляем только часть выделенной поверхности вдоль линии по оси ALL DOF. Закрепление сделаем с командой Displacement.

Затем закрепляем конечный часть первой проушины по оси ALL DOF.

Даем нагрузку с командой Pressure. Выделяем нужную часть для подачи нагрузку

И введем значение

Решение

Деформации после нагрузок

Контактное напряжение. Выбираем команду Select > Entities далее введем название и значение контактных элементов. Чтобы увидеть контактное напряжение используем General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solu > Contact > Total stress > ok.

Распределение контактных напряжений в шарнире консольного козырька типа Глиник

Распределение контактных напряжений в шарнире козырька типа ОКП - 70

Заключение

Механизированная крепь – конструкция, для предотвращения обрушение породы и управления их состоянием. Назначение самоходной механизированной крепи – обеспечение механизации процессов крепления, перемещение забойного оборудования, поддержание выработки в безопасном состоянии.

Установки этого типа работают в комплексе с узкозахватными очистными комбайнами, передвижными шахтными конвейерами скребкового типа или струга на угольных пластах, имеющих мощность от 0,8 м до 6 м и угол наклонного падения до 30° в процессе выемки слоя по простиранию или вкрест простирания, до 10° - по падению с труднообрушаемыми кровлями, при проявлении интенсивного горного давления. Возможно применение механизированных крепей в работе с пластами, имеющими мощность 6-12 м при подработке комплексным забоем подсечного слоя с разгрузкой подкровельной толщи. Во всех случаях важным элементом воздействия на кровлю является козырек крепи.

Создана программная модель позволяющая проводить расчет консольных козырьков типа Глиник или типа ОКП – 70 на прочность и , которая так же позволяет оптимизировать его конструкцию.

Зная общую величину нагрузки на верхняк и его геометрию можно подобрать сопротивление гидропатрона. Полученные расчеты позволяют затем проектирование и прочностной расчет верхняка для самой опасной из случайных схем нагружения.

Список использованной литературы

Ягодкин Г.И. Критерий количественной оценки погружения механизированной крепи породным массивом кровли. Научн. тр. /ИГД им. A.A. Скочинского, 1982, вып. 208. - С. 10-13.

Ягодкин Г.И. Условия выбора ширины поддерживаемого призабой-ного пространства в комплексно-механизированной лаве. Научн. тр. /ИГД им. A.A. Скочинского, 1983, вып. 218. - С. 3-6.

Ягодкин Г.И., Козьмин В.М. Установление оптимальных параметров перекрытий механизированных крепей.

Ягодкин Г.И., Казьмин В.М. Вероятностная оценка контактного взаимодействия механизированных крепей с кровлей. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1970. - 34 с.

Неравновероятное контактирование кровли с верхняками Караганда, изд-во КарГТУ журнал «Труды университета», 2010, 3, с.48…52

Садыков Н.М., Орлов A.A. Работа гидравлических опор крепи при резких осадках кровли//Уголь, 1977, № 1. - С. 41-44.

Каплун А.В.: ANSYS в руках инженера

Басов К.А.: ANSYS справочник пользователя 2005

Конюхов А.В: основы анализа конструкций в ANSYS

Бейсембаев К.М.: Методическое указание по выполнению курсового проекта

Нургужин М.Р., Даненова Г.Т.: Инженерные расчеты в Ansys: сборник приемов.

Слесарев В.Д.: Механика горных пород.

www.kaz-referat.kz/gornye/materials

25

Код для цитирования: Скопировать