简述了煤矿用凿岩台车滑轨的特点,介绍了利用三维建模软件Pro/E建立滑轨模型并导入到ANSYS Workbench中,对其进行静力学分析和模态分析。通过分析应力和变形状态,验证了滑轨的结构强度满足要求。通过模态分析得出,滑轨的固有频率与激振频率相差较大,不会发生共振破坏。
### 基于ANSYS Workbench的煤矿用凿岩台车滑轨的有限元分析
#### 1. 引言
凿岩台车作为一种重要的机械设备，在采矿业中扮演着关键角色。滑轨作为支撑凿岩机前进和后退的重要组成部分，直接影响到钻孔的成型、位置、角度以及凿岩工作效率。在煤矿开采环境中，由于特殊的安全要求，传统使用的铝合金材料不能应用于井下环境，因此滑轨通常采用结构钢焊接而成。
为了确保滑轨的设计能够满足实际工作条件下的需求，本文利用ANSYS Workbench对滑轨进行了静力学分析和模态分析。通过这两种分析方法，不仅可以验证滑轨的结构强度是否满足设计要求，还可以评估其动态特性，确保在实际使用过程中不会发生共振破坏。
#### 2. ANSYS Workbench简介
ANSYS Workbench是一款集成了多项高级功能的研发平台，它突破了CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）软件之间的界限，提供了强大的分析能力。它能够轻松地与其他三维CAD软件集成，并支持双向实时数据交互，这使得在CAD软件中对设计进行修改后，可以直接在Workbench中更新分析结果，大大提高了设计效率。
#### 3. 结构静力学分析与模态分析的基本理论
##### 3.1 结构静力学分析
结构静力学分析主要关注的是结构在静止状态下承受恒定外力的作用时的行为。这种分析通过求解总体刚度方程来实现：
\[ K\delta = R \]
其中，\(K\) 表示结构的总体刚度矩阵，\(\delta\) 表示结构的总体位移列阵，而\(R\) 则表示结构的总体载荷列阵。在这个方程中，载荷列阵\(R\)被视为常量矩阵。
##### 3.2 结构动力学分析
结构动力学分析则更进一步，考虑了时间变化的外部载荷对结构的影响。这种分析通常涉及到解决系统的动力学方程：
\[ Mu'' + Cu' + Ku = f(t) \]
其中，\(u\) 表示结构的总体位移列阵，\(M\) 是质量矩阵，\(C\) 是阻尼矩阵，\(K\) 是刚度矩阵，而\(f(t)\) 则表示随时间变化的总体载荷列阵。
#### 4. 有限元建模
为了进行有限元分析，首先需要利用三维建模软件Pro/E建立滑轨的三维模型。在建模过程中，可以忽略那些不会显著影响最终分析结果的小特征，如倒角、小圆角和螺纹孔等。这些特征虽然对模型的精细程度有所贡献，但在计算上却会增加不必要的复杂性和计算成本。模型建立完成后，将其导入到ANSYS Workbench中进行进一步的分析。
#### 5. 分析过程
##### 5.1 定义材料属性
在ANSYS Workbench中，需要定义滑轨所使用的材料属性。对于结构钢，通常包括弹性模量、泊松比、密度等关键参数。这些属性将被用于计算滑轨的应力分布和变形情况。
##### 5.2 应用力学边界条件
接下来，需要设置合适的边界条件和载荷条件，以模拟滑轨在实际工作环境中的受力情况。例如，可以通过施加垂直和水平方向的力来模拟滑轨在承受重量和侧向推力时的行为。
##### 5.3 执行静力学分析
通过执行静力学分析，可以获得滑轨在不同载荷下的应力分布和位移情况。这些结果有助于评估滑轨的结构强度是否足够承受预期的工作负载。
##### 5.4 模态分析
模态分析旨在确定滑轨的固有频率和相应的模态形状。通过比较滑轨的固有频率和可能的激振频率，可以判断滑轨是否会发生共振现象。如果两者的频率差异较大，则可以认为滑轨在实际使用中不会因共振而受损。
#### 6. 结论
通过对煤矿用凿岩台车滑轨进行静力学分析和模态分析，不仅验证了其结构强度满足设计要求，还确认了滑轨的固有频率与可能的激振频率之间存在较大的差距，从而避免了共振破坏的风险。这些分析结果为滑轨的设计优化提供了重要的理论依据，也为后续的制造和使用提供了坚实的基础。
