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液壓支架的4個(gè)主體構(gòu)件—頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿和底座均為箱型截面的梁體，箱型結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎抗扭性能。已有支架箱型結(jié)構(gòu)的截面基本形狀可分為4類：對(duì)稱的多腔室箱型截面、非對(duì)稱的多腔室閉合截面、多腔室局部開口截面、以及單腔室和雙腔室截面。
詳細(xì)研究和掌握箱型結(jié)構(gòu)在不同受力狀況下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對(duì)于增強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、指導(dǎo)構(gòu)件設(shè)計(jì)具有重要意義。通過箱體截面幾何尺寸優(yōu)化可以顯著減輕支架質(zhì)量、節(jié)約制造成本。當(dāng)前，液壓支架結(jié)構(gòu)分析和有限元分析優(yōu)化研究還存在如下問題：研究對(duì)象多為特定型號(hào)支架的頂梁、底座等具體構(gòu)件，結(jié)構(gòu)過于詳細(xì)，分析和優(yōu)化結(jié)果不具有代表性；未對(duì)研究結(jié)果作進(jìn)一步的分析，沒有找出其中的規(guī)律，難以得出具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。
本文首先以三腔室閉合箱型截面為例，建立箱型結(jié)構(gòu)空間力學(xué)分析模型，得出其在彎扭組合變形情況下各個(gè)板元的應(yīng)力分布；然后通過有限元優(yōu)化計(jì)算給出其合理的截面尺寸；最后分析優(yōu)化結(jié)果，找出截面尺寸變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和質(zhì)量的影響規(guī)律，總結(jié)出設(shè)計(jì)同類型截面箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)遵守的規(guī)律和原則。文中采用的方法和得出的結(jié)論也適用于其他截面類型的箱型結(jié)構(gòu)。
液壓支架的偏載是最為危險(xiǎn)的一種工況，此時(shí)構(gòu)件多發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)的組合變形。箱型截面的設(shè)計(jì)也以增強(qiáng)構(gòu)件的抗彎和抗扭能力為主要目的。對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及受力情況進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，建立三腔室箱型結(jié)構(gòu)空間力學(xué)分析模型。
實(shí)際結(jié)構(gòu)中的柱窩、柱冒等位于模型的左、右腔室內(nèi)，故左、右腔室中心距由立柱中心距決定。模型上的空間坐標(biāo)系以截面形心為原點(diǎn)，水平對(duì)稱軸和豎直對(duì)稱軸分別為X軸和Y軸，梁的長(zhǎng)度方向?yàn)閦軸。設(shè)結(jié)構(gòu)在x-y平面內(nèi)固定，在空間承受載荷(I,Pv,Px,PY,Mz)的作用，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力(Qx,QY,Mx,MY,Mz)。顯然，作用在固定端截面內(nèi)的內(nèi)力最大，是模型中的危險(xiǎn)截面，下面的分析和計(jì)算均在此平面內(nèi)進(jìn)行。
由材料力學(xué)的分析可知，組合變形問題需將其分解為基本變形，分別考慮每一種基本變形下的應(yīng)力和變形后再疊加計(jì)算。下面對(duì)箱型結(jié)構(gòu)在彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的應(yīng)力分布分別進(jìn)行研究。
箱體在沿碎由正方向的扭轉(zhuǎn)力矩Mz作用下，固定端截面上的剪應(yīng)力流分布。在每一塊板元上，除了靠近兩端的部分以外，剪應(yīng)力沿長(zhǎng)邊方向均勻分布。兩相鄰腔室壁中的剪力流方向相反，大小等于兩相鄰腔室的剪力流之差。
同時(shí)考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，可得到截面上各個(gè)板元的詳細(xì)應(yīng)力分布情況：上蓋板和下腹板主要作用著彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力；左右兩邊的豎板上作用著較大的彎曲剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，當(dāng)它們同向時(shí)可產(chǎn)生較大的合力；而中間兩塊筋板上則以彎曲剪應(yīng)力為主。由以上的計(jì)算和分析可知，箱型截面梁在彎扭組合變形的情況下處于平面應(yīng)力狀態(tài)。
在箱型截面上取六個(gè)參數(shù)作為截面幾何優(yōu)化的變量。凡由截面的幾何屬性決定的量，如坐標(biāo)值、截面積、慣性矩工等。
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