ANSYS应用于U型钢支架、钢管混凝土圆形支架的对比模拟

朱思刚 彭 浩

（枣庄矿业集团有限（责任）公司蒋庄煤矿，山东 滕州 277519）

蒋庄煤矿南总回风巷南一采区段采用U型钢支架支护，由于受动压影响，巷道长时间失修，造成U型钢支架局部变形。通过受力分析，对不封闭型U型钢可缩性支架进行了ANSYS有限元数值模拟。同时对钢管混凝土圆形支架进行受力分析和ANSYS有限元数值模拟，通过对比寻求更优化的支护形式。

1 U型钢可缩支架、钢管混凝土圆形支架数值模拟

1.1 U型钢可缩支架数值模拟步骤

（1）用Solidworks建立U型钢模型

ANSYS的前处理模块有建模功能，可以建立复杂的模型，而且有限元模型和结构实体模型在几何外形上是基本一致的。根据结构的几何外形，忽略对结果影响较小的次要的因素，抓住结构外形的主要因素建立模型，是进行有限元建模的基础。U29型钢可缩性支架的截面，是一个形状极为不规则的平面。由于无法预知节点的位置、编号、单元的大小形状等信息，故使用间接法建模即用Solidworks建立U型钢的模型。

建模思路如下：①用三维建模软件Solidworks画出U型钢支架的各部分零件；②用三维建模软件Solidworks把U型钢支架的各部分零件装配起来；③把装配好的U型钢支架导入到ansys中并进行应力分析。

（2）用ANSYS对U型钢进行网格划分

网格划分可以完成实体模型和有限元模型之间的过渡，将实体模型离散成为一系列按照一定方式组合在一起的小单元，产生有限元计算所需要的节点和单元。它一般包括3个步骤：定义单元属性、定义网格属性(可选)、生成网格闭。ANSYS提供了3种划分方式：自由划分、映射划分、自由和映射结合划分，可以完成各个图元的网格划分。

（3）对U型钢的表面施加面力并对其进行求解。

1.2 钢管混凝土圆形支架数值模拟

（1）建模

圆形截面的尺寸如下：外径150mm，内径140mm，壁厚5mm，圆拱半径2.2m。建模时，需要用到ANSYS软件的前处理器/PREP7，钢管采用SOLID45单元，核心混凝土采用SOLID65单元。构件是截面为圆形的封闭型圆管。构件模型建立完成后，定义单元的各项材料参数。即输入钢材和混凝土的弹性模量、泊松比等各项参数。

（2）网格划分

单元参数定义完成后即可进行网格划分。此处建模为实体建模，实体建模可以采用自由网格、映射网格和扫略生成体网格三种不同的网格划分形式，由于钢管混凝土构件有规则的形状，因此此处采用映射网格。 映射面网格包含四边形或三角形单元，本次模拟应用四边形单元。

（3）施加载荷、边界条件

网格划分完成后即可施加边界条件与载荷并进行解算。在ANSYS中施加载荷时需要考虑将载荷施加在实体模型（点、线、面）上或有限元模型（节点、单元）上。本文中的模型采用实体建模，因此载荷直接施加在构件的上表面上。

施加载荷时有时需要用到载荷步，载荷步是为了获得解答而做的载荷设置，载荷步可以包括N个子步，子步是求解载荷步过程中的计算点，子步采用平衡迭代法求解，而平衡迭代是为了使子步收敛的附加解。

施加约束条件（DOF约束）时，钢管混凝土构件（直长管）下表面的所有节点的垂直自由做约束，上表面节点的自由度不做任何约束。然后在钢管混凝土构件的上表面施加表面载荷（Surface Load），即表面压力载荷。

施加完载荷后需要对求解过程进行求解设定才能完成最后的求解。求解设定包括分析类型、求解控制、载荷步设定、输出控制等。在ANSYS求解过程中尤其重要的是求解控制，求解控制中选项的设定关系到整个求解过程的时间长短、计算结果的精确与否等。求解过程中需要特别关注的是非线性选项，包括收敛准则的选择、平衡迭代的最大次数、时间步长。

在本文模拟中，应力载荷分为30个子步。计算时打开自动时间步长选项，以便系统自动调节时间步长，能够减少精度和迭代之间的误差。为了确定求解过程是否收敛，打开线性搜索选项，设置最大迭代次数为100次，收敛容许误差设为0.008。

（4）求解

在本文模拟计算中，计算的模型为非线性解算，求解器采用系数矩阵直接求解器，针对非线性计算采用Newton-Raphson方程求解。

2 U型钢可缩支架、钢管混凝土圆形支架位移对比

比较U型钢可缩支架、钢管混凝土圆形支架的位移大小情况，如图1所示：

图1 位移总量对比

钢管混凝土圆形支架的位移量明显小于不封闭型U型钢可缩性支架，即钢管混凝土圆形支架承载能力明显高于不封闭型U型钢可缩性支架。蒋庄煤矿早期采用的U型支架都是不封闭型的，2013年以后采用封闭型U型钢支架，日后当封闭型U型钢支架产生变形后可以采用钢管混凝土圆形支架，能确保支护效果大为改善。