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第2 9 卷第1 期煤炭技术 V 0 1 ．2 9 ，N o ．0 1 2 0 1 0 年1 月 C o a lT e c h n q | q g v J a n ，2 0 1 0 I I II I II I ．．．．．． ‘, I , , i [ I I I I I II Il ●_ _ - _ _ _ l _ _ ～／、r ／、 一 弋建井技术 p ～． ／‘、． ．，～ 矿山钢井架结构设计浅谈 战玉宝1 ，赵海涛2 1 ．山东科技大学资源与土木工程系，山东泰安2 7 1 0 1 9 ；2 ．山东服装职业学院信息工程系，山东泰安2 7 1 0 0 0 摘要介绍了目前我国矿山钢井架的设计概况及常用的设计软件，并对有限元法进行结构计算的原理进行了简 单的阐述。结合工程实例，重点论述了采用S A P 2 0 0 0 进行钢井架设计的过程与方法，并对井架结构进行了静力分 析。分析表明，利用S A P 2 0 0 0 进行钢井架设计与静力分析是1 种非常有效的钢井架计算方法。 关键词钢井架；结构设计；有限元 中图分类号T D 5 3文献标识码A文章编号1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 1 0 O l 一0 1 3 9 0 3 D i s c u s so nS t r u c t u r a lD e s i g no fM i n eS t e e lD e r r i c k Z H A NY 1 1 一b a 0 1 。Z H A 0H a i t a o z 1 ．D e p t ．o fR e s o 嘲a n d C i v i lE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y - T a i ’a n2 7 1 0 1 9 ，C h i n a ；2 ．S h a n d o n gV o c a t i o n a l C o l l e g eo fC l o t h i n g ．T a i ’锄2 7 1 0 0 0 。C h i n a A b s t r a c t T h ep r e s e n to u rc o u n t r ym i n es t e e ld e r r i c k ’sd e s i g ns u r v e ya n dt h ec o m m o n l yu s e dd e s i g ns o f t w a r e a l ei n t r o d u c e d ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fs t r u c t u r a lc o m p u t a t i o nb yF E Mi si n t r o d u c e dt o o ．B yap r o j e c te x a m p l e ，t h ep r o c e s sa n dt h em e t h o da l ee l a b o r a t e db yu s i n gS A P 2 0 0 0t oc a r r yo nt h es t e e ld e r r i c kd e s i g n ，a n d t h ed e r r i c ks t r u c t u r a la n a l y s i si sc a r r i e dO i l ．T h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a ti tp r o v i d e sa l le x t r e m e l ye f f e c t i v ec o r n p u t a t i o n a lm e t h o df o rl a t e rm i n es t e e ld e r r i c kd e s i g n ． K e yw o r d s s t e e ld e r r i c k ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；F E M o 前言 嚣簇裟麓淼釜星 钢井架是矿山立井提升的主要构筑物，钢井架位居全世界第一。5 0 多年来，虽然许多院校、设计 与其它材料的井架相比具有高强耐震，制造安装简单位编写了不少井架设计的教科书及资料，但无统 单，施工时占用井I 1 时间短等优点，在国内外矿山一的设计原则和技术标准乜1 。2 0 0 6 年1 2 月，我国 6 ．8 ％，稳定率目前达不到1 0 0 ％，说明需要进一步加 强管理，使所有灰分全部满足在控制区间。 2 2 0 0 7 年，全矿完成原煤总产量9 7 ．3 1 万t ，洗 中块完成6 68 9 9t ，吨原煤洗中块产率为6 ．8 7 ％， 2 0 0 8 年全矿完成原煤总产量1 0 6 万t ，洗中块完成 8 31 0 4t ，吨原煤洗中块产率为7 ．8 4 ％，吨原煤洗中 块产率提高0 ．9 7 ％，洗中块不含税价为4 3 6 ．0 0 元／t ， 末煤不含税价为2 7 8 ．0 0 元／t ，全年多回收洗中块1 0 6 万t 0 ．9 7 ％ 1 02 8 2t ，可创收 1 02 8 2t 4 3 6 ．0 0 元／t 一2 7 8 ．0 0 元／t 1 6 2 ．4 6 万元 3 概率筛振动方式改造和振动筛减速改造每 年可节约资金1 8 ．6 万元。 5 结语 新陆煤矿选煤厂，在随市场调节产品结构过程 中，加大技术改造力度，加强对效益产品洗中块生产 工序质量管理，在保证产品质量的前提下，提高其批 灰分稳定率，提高其吨原煤产率，增加了洗中块的产 量，收到了较好的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 刘海星．选煤机械[ M ] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 4 ． [ 2 ] 邓昭铭．机械设计基础[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 3 ． I s ] 匡亚莉．选煤工艺设计与管理[ M ] ．江苏中国矿业大学出版 社，2 0 0 6 ． 责任编辑徐艳杰 收稿日期2 0 0 9 0 6 0 1 ；修订日期． 2 0 0 9 1 1 2 0 作者简介战玉宝 1 9 r 7 8 一 ，男，博士，讲师，主要从事结构计算与数值模拟等方面的教学与研究工作，已发表论文1 1 篇，Ⅱ收 录6 篇，E m a i h z h a a y u b a o t o m ．c o r n 。 万方数据 1 4 0 煤炭技术 第2 9 卷 矿山井架设计规范开始实施，改变了我国井架设 计的不规范状况。 l钢井架的结构设计 以往井架结构的计算，大都是将其简化为平面 结构，然后进行手算，不仅费时，而且计算精度非常 差。随着计算机技术的普及，专业的结构计算软件 也相继出现，这使得在设计中应用软件对结构进行 计算成为现实。尤其是对于复杂的空间结构，计算 软件的优势更加明显。矿山井架设计规范要求， 除规则框架可采用手算外，均要求用计算机采用空 间分析方法进行计算。目前结构计算中常用的计算 程序为有限元分析软件，如大型通用有限元程序 A N s Y S 与S A P 2 0 0 0 等。 1 ．1 利用有限元进行结构计算的原理 静力学分析的有限元法的推导过程中，应用了 弹性力学的基本方程及虚功原理。弹性力学中的3 个基本方程分别是几何方程、本构方程和平衡方 程‘3 J 。 1 几何方程 几何方程是描述结构的位移函数与应变函数之 间关系的方程，在经典弹性理论中假定结构的位移、 转动和应变是很小的，而且在结构变形时载荷方向 不变，从而得到线性的几何方程。由经典弹性理论， 小变形情况下的几何关系即位移一应变关系为 { ￡} [ L ] { 艿} 1 式中{ 艿} 结构内任一点的位移向量； [ ￡] 微分算子。 有限元法在结构离散化后，把单元中任一点的 位移分量表示成坐标的某种函数，这一函数叫做单 元的位移函数。设} Ⅱ} 。为单元节点位移向量，在选 定位移函数后，在单元内部和边界上，假设满足位移 协调条件的插值函数矩阵为[ Ⅳ] ，则单元体内的位 移可以表示为 { 艿} 。 [ Ⅳ] { “} 。 2 将式2 代人式l 得 { e } [ L ] [ Ⅳ] { Ⅱ} 。 [ B ] { “} 。 3 2 本构方程 弹性力学中应力一应变之间的转换关系称为本 构方程，也叫做物理方程。对于各向同性的线弹性 材料，应力一应变关系的矩阵形式为 { d } [ D ] { ￡} 4 式中[ D } 为弹性矩阵。 3 平衡方程 [ ￡] 7 { 盯} { ql 0 式中{ q } 为体积力。 5 4 虚功原理 虚功原理在力学中是1 个普遍的能量原理，把 它应用于弹性体，可得出如下的推理假设作用在某 弹性体上的外力与内部产生的应力处于平衡状态。 若给弹性体任一微小的虚位移，并同时在弹性体内 产生相应的虚应变时，则外力在虚位移上所作的功 等于应力在虚应变上所作的虚功。其数学表达式为 ， l 艿{ e } 7 [ d ] d y 艿{ u } 7 { P } 6 Jy 将式3 与式4 代人虚功方程得 [ K ] 。{ u } 。 { P } 。 7 式中[ K ] 。为单元刚度矩阵； { P } ‘为单元节点荷载向量。 ， 且单元刚度矩阵[ K ] 4 l [ B ] 7 [ D ] [ B ] d y ，建立 Jy 了单元刚度矩阵后，把各单元刚度矩阵组合，可得结 构整体的刚度方程为 【艮J { “{ { P } 8 引入结构的约束条件，对式8 进行求解，得到各 节点的位移，进而计算出结构的应变和应力。 1 ．2 采用S A P 2 0 0 0 对井架结构进行设计 A N S Y S 能完成S 舡∞0 0 绝大多数的分析功能， 但在建模等方面没有S A ．V 2 0 0 0 简便，尤其在进行空 间钢结构的设计时，宜优先采用S P A 2 0 0 0 程序。 1 关于S A P 2 0 0 0 ∞j S A P 2 0 0 0 是S A P 系列程序中功能最为强大的 W i n d o w s 版本，是1 个最具集成化、高效率的三维 静、动力结构有限元分析软件。模型的创建和修改、 分析和校核、设计优化和输出结果都能够在同一视 窗中实现。 S P A 2 0 0 0 计算模型的创建，是1 个极具特色的 建模过程。它通过统计和归纳，设计了1 个涵盖各 类结构典型要素的模板，利用该模板来建立的计算 模型，只需确定很少的控制数据即可得到所需的模 型。该模型不仅是几何图形，而且还具备了可实施 计算分析的物理模型 或称为有限元模型 。是1 个 真正意义上的“在屏幕画出图形，即可得到结构内力 图”的可视化的结构分析计算软件。 S A P 2 0 0 0 结构静力分析的基本步骤是确定计 算简图，选择计算量纲，建立几何模型；定义单元的 材料特性组、单元截面特性组；定义结构静力荷载工 况、结构分析类型；通过指定菜单施加结点约束，选 定单元并指定单元截面组名；选定单元并施加单元 荷载；选定结点，施加结点荷载；设置结构类型及相 应的结点自由度，运行结构分析，求结点位移；显示 计算结果，打印计算结果表，整理计算结果报告。概 万方数据 第l 期 战玉宝，等矿山钢井架结构设计浅谈 1 4 1 括起来也就是通常所说的前处理、分析运算和后处 理。 S A P 2 0 0 0 中的数据，包括模型信息、分析结果、 设计结果等，可以通过表格数据结构存取。表格数 据可以在界面编辑显示，或者可以输出到M i c r o s o f t A c c e s s 数据库文件、M i c r o s o f tE x c e l 数据表格文件、文 本文件，还可以输出数据产生报告或进行其它特殊 计算。 2 井架结构的设计过程 S A P 2 0 0 0 中，钢结构的设计具有交互的优化设 计功能。首先，可以将特定的l 组截面赋给构件，构 件通过自动优化设计的功能反复分析设计，选出最 优截面；其次，S A P 2 0 0 0 中的设计过程是个交互设计 过程，可以通过修改构件的各个设计参数，控制整个 设计过程[ 4 】。下面根据1 个设计实例，介绍一下利 用S A P 2 0 0 0 进行刚井架结构设计的过程与方法。 图1 为某煤矿混合井的钢井架图，该井架为单 斜撑钢井架。对于单斜撑井架，其立架由四柱组成 支座铰接很难实现，故视为刚接；斜撑支座为铰接， 立架与斜撑之间为刚接瞳J 。 图1 钢井架计算模型 作用在井架上的荷载主要有3 类，一是永久荷 l 结构自重、设备自重及地基变形等；二是可变荷 提升工作荷载、钢绳罐道工作荷载、平台荷载及 ．荷载等；偶然荷载断绳荷载、过卷荷载及地震荷 等。在定义荷载工况时可以根据使用过程中在结 『上可能同时出现的荷载，取最不利的效应组合进 设计。 施加荷载后即可运行结构分析，结构分析完成 。设置钢框架设计选项后运行钢结构设计，没有通 设计的构件将显示红色 如图2 所示 。此时，可 新指定未通过设计的构件截面，修改完成后再进 结构分析与钢框架设计命令。以上过程反复进 ，直至构件满足要求为止。最后指定的构件的截 ．形式即为最终的设计截面。 图2 设计结果 3 井架静力学计算结果分析 井架截面选定后，运行结构分析，可以获得井架 结构的位移与内力图。从计算的结果来看，在荷载 作用下，x 向的位移在斜撑的中部位置较大，而y 向的位移则在平台主梁与天轮相接的地方最大，但 都在允许的范围内。井架结构中，轴力最大的构件 都集中在斜撑上，而平台梁附近的构件所受的弯矩 较大。所以在井架设计时可以适当加大平台梁的截 面尺寸，以增加抗弯能力，减小平台梁的过大变形。 2结论 1 除规则框架可采用手算外，均需采用计算机 空间分析方法进行计算。 2 在S A P 2 0 0 0 中，钢结构的设计具有交互式的 优化设计功能，可以很好的实现与满足钢井架的结 构设计要求。 3 井架水平向的位移在斜撑的中部位置较大， 而竖直向的位移则在平台主梁与天轮相接的地方 最。轴力最大的构件都集中在斜撑上，而平台梁附 近的构件所受的弯矩较大。在井架设计时可以适当 加大平台梁的截面尺寸，以增加抗弯能力，减小平台 梁的过大变形。 参考文献 [ 1 】胡红宇．斜撑式钢井架设计浅谈[ J ] ．江西煤炭乖4 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