基于ABAQUS的钻机车架板结构有限元分析

郭 伟

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077；2.西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

0 引言

坑道钻探是用于煤矿井下灾害防治、地质探查、煤层气开发等方面最为直接和有效的技术手段，坑道钻机是钻探工作中的关键重要装备，车架平台是钻机的基础组成部分，其上加载有钻机主体、电机泵组、操作台阀组、接管板、油箱、电控元件等部件，同时通过履带连接提高行走动力[1]。车架平台是由钢板焊接而成的复杂板结构，除了承受钻机主体等部件的压力之外，还要受到钻机工作时产生的作用力[2]。为确保车架板结构及焊缝等不会出现强度不够从而影响钻机整体性能的问题，利用有限元方法对其进行强度分析是十分有必要的。

车架板结构承担着整个钻机的重量，在考虑强度的同时，还需要分析其弯曲和扭转等动态特征，考察结构中的薄弱环节。模态分析是分析结构动态特征的重要方法，针对系统的自由振动特征，如固有频率和振型，因此与外部载荷无关，在分析时无须加载，即自由模态；但约束条件的施加对模态分析结果有重要影响，即约束模态[3-4]。结构的固有频率需要避免与外界激振频率共振，钻机运转过程中会产生系统的强烈振动，电机、马达等也会产生振动，因此对车架板结构进行模态分析，可以有效地避免产生共振现象。

本文利用ABAQUS有限元软件，通过简单算例选择适宜的建模方法，对某型钻机车架板结构进行强度分析和模态分析，得出典型工况下整个结构的应力分布、变形分布、固有频率和振型云图等，为车架板结构的设计和改进提供理论指导。

1 钻机车架板结构有限元分析

1.1 钻机车架板结构模型及网格划分

钻机车架板结构的板材之间通过焊接的方式连接成为一个整体，为使计算结果更加准确，建立整体结构的有限元三维模型。由于车架板结构比较复杂，存在各种小孔、倒角及筋板结构，为降低网格划分和有限元分析的难度，对模型结构进行简化，并且忽略焊缝结构，模型中Part之间接触面的接触方式为Tie模式，模型如图1所示，对车架板结构进行强度分析和模态分析。

图1 车体平台模型

网格划分采用实体单元，网格类型C3D8R，单元总数为20 967，节点总数为38 595。网格划分后的效果如图2所示，效果比较理想。

图2 网格划分

车架板结构材料为Q345钢板，材料参数列于表1。

表1 Q345钢材料参数

1.2 载荷施加

车架板结构由四个稳固支撑撑起，因此在四个稳固支撑处约束所有自由度。钻机不工作时，车架板结构承受钻机自身重力；钻机工作时，钻机进给和起拔两种工作状态产生的力通过转盘传递到车架板结构，本文考虑承受最大进给力95 kN和最大起拔力140 kN两种工况，将载荷施加在连接钻机主体的转盘上，对车架板结构进行强度分析。由于模态分析不需要施加载荷，在其余条件与强度分析相同的情况下，去除载荷，保留边界条件，计算车架板结构的约束模态。

2 计算结果分析

2.1 强度分析

经CAE计算后，最大进给力95 kN和最大起拔力140 kN两种工况下的Mises应力和变形云图如图3～图6所示。

图3 最大给进力时Mises应力分布

图4 最大进给力时变形云图

由图可以看出，两种工况下应力集中出现的位置相同，在图3和图5的椭圆圈中角焊缝位置，起拔时最大Mises应力值达到49.92 MPa。车架板结构材料为Q345钢，应力集中处角焊缝的抗压和抗拉强度设计值均为200 MPa，因此在许用应力的范围之内，完全满足强度要求。

图5 最大起拔力时Mises应力分布

由图4和图6两种工况的变形云图可见，给进力工况下，最大变形量0.057 8 mm出现在车架板结构的一角，而起拔工况时的最大变形量0.056 mm出现在车架板结构与钻机主体相连的圆盘处，两个变形数据均非常小。

图6 最大起拔力时变形云图

2.2 模态分析

对车架板结构模型建立摄动分析步，利用Lanczos求解器求解前20阶约束模态。由于在实际情况下低阶模态的固有频率对结构的动态特征有着决定性影响[5]，本文对前6阶约束模态进行分析，其固有频率和振型计算结果列于表2，对应的各阶模态振型云图如图7～图12所示。

表2 车架板结构前6阶约束模态计算结果

图7 第1阶模态振型仿真云图

图8 第2阶模态振型仿真云图

图9 第3阶模态振型仿真云图

图10 第4阶模态振型仿真云图

图11 第5阶模态振型仿真云图

图12 第6阶模态振型仿真云图

本文进行模态分析的指标主要有：车架板结构的弹性频率和电机等工作频率不要发生共振，以及对车架板结构动态性能产生影响的振型较少。

从表2和前6阶模态振型云图可以看出，车架板结构的固有频率随着阶次的上升而变大，最低固有频率为142.63 Hz，钻机用电机的工作频率是50 Hz，与车架板结构的固有频率差距较大，因此不会发生共振。

由车架板结构的振型图可知，主要振型特征有弯曲、摆动及它们的相互组合。1阶模态振型表现在车架中部两个面板的向上摆动；2阶表现为车架中部面板一侧向上、一侧向下的摆动；3阶振型为车架中部面板向下摆动以及底板向上凸起弯曲；4阶模态振型是车架整体的弯曲和扭转；5阶模态是车架板结构中部摆动和整体上下弯曲的组合；6阶模态振型表现为车架中部面板的正弦状摆动及底板凸起弯曲。可见，1～3阶振型主要是车架中部面板及底板的变形，是局部变形，而4阶以上形成了整体变形，随着阶次的增大，整体的振型越来越复杂，3阶以上就出现了组合变形。薄弱环节在车架板结构两侧面板和底板，然而前6阶模态振型中最大的结构变形量为第4阶的1.258 mm，可见整体变形量非常小。

3 结论

本文建立了车架板结构有限元模型，并在两种工况下进行强度分析和模态分析，得到如下结论：

（1）最大给进力工况和最大起拔力工况下，车架板结构的应力集中处均出现在同一焊缝位置，但远小于许用应力值，满足强度要求。

（2）车架板结构的前6阶固有频率与电机工作频率相差较大，不存在共振风险；模态振型变形量非常小。