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防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析

沈佳兴 徐平 范中海 于英华

沈佳兴, 徐平, 范中海, 于英华. 防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(1): 99-105. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587
引用本文: 沈佳兴, 徐平, 范中海, 于英华. 防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(1): 99-105. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587
SHEN Jiaxing, XU Ping, FAN Zhonghai, YU Yinghua. Designing and Analyzing Performance of Lattice Energy Absorbing Device for Anti-impact Hydraulic Support[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(1): 99-105. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587
Citation: SHEN Jiaxing, XU Ping, FAN Zhonghai, YU Yinghua. Designing and Analyzing Performance of Lattice Energy Absorbing Device for Anti-impact Hydraulic Support[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(1): 99-105. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587

防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200587
基金项目: 

中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目 MTKJ2010-290

详细信息
    作者简介:

    沈佳兴(1990-), 副教授, 博士, 研究方向为机械系统动力学分析与控制, 329833309@qq.com

  • 中图分类号: TH122;TD353

Designing and Analyzing Performance of Lattice Energy Absorbing Device for Anti-impact Hydraulic Support

  • 摘要: 为提高防冲液压支架的让位吸能大小, 提高防冲液压支架的安全性, 设计一种点阵让位吸能装置。采用有限元仿真的方式分别研究3种典型点阵胞体的比吸能及单位质量支撑力, 确定金字塔结构为最佳拓扑胞体结构。采用三因素五水平的正交实验分析胞体高度, 胞体立足倾斜宽度及胞体立足直径对点阵芯体的吸能大小及支撑力的影响规律, 确定最佳的胞体结构参数。通过仿真分析得到最佳结构参数的金字塔点阵吸能装置的总吸能为1 470 kJ, 支撑力为4 679.76 kN, 且支撑力较平稳。证明金字塔结构点阵吸能装置具有优越的吸能性, 能够提高防冲液压支架的安全性。
  • 图  1  点阵吸能装置

    图  2  点阵材料胞体拓扑结构

    图  3  有限元分析模型

    图  4  压缩变形过程

    图  5  比吸能曲线

    图  6  单位质量支撑力曲线

    图  7  单层点阵吸能结构

    图  8  网格模型

    图  9  各因素对吸能大小影响规律

    图  10  各因素对支撑力影响规律

    图  11  候选方案的吸能曲线

    图  12  候选方案的支撑力曲线

    图  13  方案h3a2d2的应力云图

    表  1  胞体分析因素

    因素 水平1 水平2 水平3 水平4 水平5
    h/mm 10 30 50 70 90
    a/mm 10 20 30 40 50
    d/mm 4 5 6 7 8
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    表  2  正交实验样本及结果

    序号 h/mm a/mm d/mm 吸能/kJ 支撑力/kN
    1 5 1 2 896.8 26 116.0
    2 3 3 5 189.1 4 114.2
    3 1 2 4 137.6 4 330.1
    4 4 2 1 233.6 3 599.4
    5 5 2 5 751.0 18 548.5
    6 4 1 3 960.0 26 212.4
    7 3 1 4 766.7 28 276.0
    8 5 4 1 261.3 1 262.3
    9 3 4 3 78.5 1 488.3
    10 3 5 1 145.7 1 287.7
    11 1 4 5 100.6 9 913.8
    12 4 4 2 87.9 1 607.4
    13 1 5 3 38.5 1 560.6
    14 2 5 2 12.4 508.5
    15 4 5 5 163.1 2 632.2
    16 4 3 4 267.3 4 525.1
    17 5 3 3 217.3 4 598.8
    18 2 4 4 106.6 1 474.9
    19 2 3 1 111.1 514.1
    20 5 5 4 226.8 3 259.7
    21 2 1 5 496.3 28 670.9
    22 1 3 2 14.8 321.8
    23 1 1 1 152.6 3 617.1
    24 2 2 3 197.4 3 040.1
    25 3 2 2 293.8 5 027.3
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    表  3  吸能大小的影响极差

    因素h 因素a 因素d
    K1 88.82 654.48 180.86
    K2 184.76 322.68 261.14
    K3 294.76 159.92 298.34
    K4 342.38 126.98 301.00
    K5 470.64 117.30 340.02
    极差R 381.82 537.18 159.16
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    表  4  支撑力的影响极差

    因素h 因素a 因素d
    K1 3 948.68 22 578.48 2 056.12
    K2 6 841.70 6 909.08 6 716.20
    K3 8 038.70 2 814.80 7 380.04
    K4 7 715.30 3 149.34 8 373.16
    K5 10 757.06 1 849.74 12 775.92
    极差R 6 808.38 20 728.74 10 719.80
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    表  5  候选方案

    方案 因素h 因素a 因素d
    1(h2a2d2) 30 20 5
    2(h3a2d2) 50 20 5
    3(h3a2d3) 50 20 6
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  • [1] 潘一山, 肖永惠, 李国臻. 巷道防冲液压支架研究及应用[J]. 煤炭学报, 2020, 45(1): 90-99(in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202001010.htm

    PAN Y S, XIAO Y H, LI G Z. Roadway hydraulic support for rockburst prevention in coal mine and its application[J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(1): 90-99 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202001010.htm
    [2] 马箫, 潘一山, 张建卓, 等. 防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究[J]. 煤炭学报, 2018, 43(4): 1171-1178 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201804047.htm

    MA X, PAN Y S, ZHANG J Z, et al. Design and performance research on core energy absorption component of anti-impact support[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(4): 1171-1178 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201804047.htm
    [3] 潘一山, 肖永惠, 李忠华, 等. 冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用[J]. 煤炭学报, 2014, 39(2): 222-228 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201402003.htm

    PAN Y S, XIAO Y H, LI Z H, et al. Study of tunnel support theory of rock burst in coal mine and its application[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(2): 222-228 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201402003.htm
    [4] 张建卓, 刘欢, 王洁. 直纹管外翻式构件设计与吸能特性研究[J]. 振动与冲击, 2020, 39(9): 49-56 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ202009008.htm

    ZHANG J Z, LIU H, WANG J. Design and energy-absorbing properties of the everting components of straight corrugated tubes[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(9): 49-56 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ202009008.htm
    [5] 董双勇, 褚晓威. 矿用锚杆吸能防冲支护构件的设计与分析[J]. 煤矿机械, 2020, 41(11): 62-64 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKJX202011021.htm

    DONG S Y, CHU X W. Design and analysis of energy absorption and rock burst prevention support component for mine bolt[J]. Coal Mine Machinery, 2020, 41(11): 62-64 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKJX202011021.htm
    [6] 付玉凯, 鞠文君, 吴拥政, 等. 深部回采巷道锚杆(索)防冲吸能机理与实践[J]. 煤炭学报, 2020, 45(S2): 609-617 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB2020S2008.htm

    FU Y K, JU W J, WU Y Z, et al. Mechanism and practice of energy absorption and anti-impact of bolt (cable) in deep mining roadway[J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(S2): 609-617 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB2020S2008.htm
    [7] 王春华, 牛慧超, 安达, 等. 防冲液压支架变梯度薄壁吸能构件研究[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(9): 3546-3551

    WANG C H, NIU H C, AN D, et al. Research on variable gradient thin-walled energy absorbing component of scour-proof hydraulic support[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(9): 3546-3551 (in Chinese)
    [8] 许琦, 阎军, 蒋存存, 等. 航天器点阵夹层圆柱壳构型多学科优化设计[J]. 载人航天, 2020, 26(2): 152-158 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRHT202002003.htm

    XU Q, YAN J, JIANG C C, et al. Multi-disciplinary optimization design of multi-layer lattice sandwich cylindrical shell in spacecraft[J]. Manned Spaceflight, 2020, 26(2): 152-158 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRHT202002003.htm
    [9] 丁莉, 满孝颖, 解维华, 等. 双锥构型三维点阵材料压缩特性[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2020, 26(1): 76-84 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDXZ202001007.htm

    DING L, MAN X Y, XIE W H, et al. Compression properties of 3D dual-pyramid lattice materials[J]. Journal of Shanghai University (Natural Science Edition), 2020, 26(1): 76-84 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDXZ202001007.htm
    [10] 廖中源, 王英俊, 王书亭. 基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法[J]. 机械工程学报, 2019, 55(8): 65-72 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201908008.htm

    LIAO Z Y, WANG Y J, WANG S T. Graded-density lattice structure optimization design based on topology optimization[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(8): 65-72 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201908008.htm
    [11] CHEN X Y, MOUGHAMES J, JI Q X, et al. Optimal isotropic, reusable truss lattice material with near-zero Poisson's ratio[J]. Extreme Mechanics Letters, 2020, 41: 101048
    [12] JIN N, YAN Z Y, WANG Y W, et al. Effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti-6Al-4V lattice materials[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 190: 106042
    [13] 亓昌, 郝鹏程, 舒剑, 等. 金字塔型点阵材料夹芯板抗爆性能仿真与优化[J]. 振动与冲击, 2019, 38(16): 245-252 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201916035.htm

    QI C, HAO P C, SHU J, et al. Simulation and optimization for blast-resistant performances of pyramidal lattice cored sandwich panels[J]. Journal of Vibration and Shock, 2019, 38(16): 245-252 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCJ201916035.htm
    [14] 刘培生. 多孔金属格子材料(点阵材料)的制造方法[J]. 稀有金属材料与工程, 2007, 36(S3): 535-538 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-COSE2007S3129.htm

    LIU P S. Preparation methods for porous metallic lattice materials[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2007, 36(S3): 535-538 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-COSE2007S3129.htm
    [15] 戴向胜, 马建敏. 冲击块与金属圆柱壳相互作用的缓冲吸能分析[J]. 振动工程学报, 2013, 26(3): 429-435 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDGC201303018.htm

    DAI X S, MA J M. Analysis of buffer effect and energy absorption between impact object and cylindrical metal shell[J]. Journal of Vibration Engineering, 2013, 26(3): 429-435 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDGC201303018.htm
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  • 收稿日期:  2021-03-12
  • 刊出日期:  2023-01-25

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