一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法与流程

1.本发明涉及力学计算模型技术领域，具体为一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法。


背景技术：

2.传统立井井筒装备力学计算方法都是基于《采矿工程设计手册》进行的。从本质上来讲，传统立井井筒装备力学计算方法都是将罐道及罐道梁作为一个个独立的简支梁或超静定梁个体进行受力分析计算，得到的结果可以满足实际需求，但往往超过实际需求，造成大量的材料浪费，不能做到优化设计。而立井井筒装备实际为一个大的整体，应该依据井筒装备间的空间约束关系和拓扑关系进行整体计算更为科学合理。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法，包括如下步骤：
6.步骤1，根据井筒装备模型分析罐道、罐道梁、井壁之间的连接方式；
7.步骤2，设置装备空间结构特征；
8.步骤3，设置位移边界条件；
9.步骤4，设置节点约束条件；
10.步骤5，根据步骤1-步骤4，建立立井井筒装备钢结构有限元力学模型；
11.步骤6，根据立井井筒装备钢结构有限元力学模型进行荷载计算、钢结构受力计算、装备构件的力学可靠性计算。
12.优选的，步骤2中，装备空间结构特征包括罐道梁与井壁、罐道梁与罐道梁、罐道梁与罐道之间均为铰接，构件之间集中力作用点均视为节点，其中相邻节点之间的构件为单元。
13.进一步的，井筒装备构件包括管子梁、罐道梁、罐道、管路和梯子间。
14.优选的，步骤3中，位移边界条件设置如下：
15.当井壁与罐道梁的连接方式为梁窝方式，则对应边界单元的边界节点位移设为0；
16.当井壁与罐道梁的连接方式为托架方式，则对应边界单元的边界节点线位移设为0。
17.进一步的，边界节点位移包括线位移和点位移。
18.进一步的，罐道梁与井壁的连接约束位移，连接方式为铰接；罐道接头的连接方式为铰接；罐道与罐道梁连接处位移连续设置。
19.优选的，步骤4中，节点约束条件设置为：
20.罐道和罐道梁只约束位移，而不约束转角；
21.支撑梁和副支撑梁与井壁的连接处只约束位移，而不约束转角；
22.罐道和罐道梁的连接采用节点束缚的形式，节点束缚的处理也只传递位移而不传递转角；罐道与罐道的连接处是同一个节点。
23.优选的，步骤5中，立井井筒装备钢结构有限元力学模型具体如下：
24.步骤51，钢结构节点载荷计算；
25.步骤52，根据立井井筒装备内节点及单元的空间约束关系和拓扑关系进行钢结构整体受力计算；
26.步骤53，力学可靠性计算。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明公开了一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法，传统计算方法将罐道及罐道梁作为一个个独立的简支梁或超静定梁个体进行受力分析计算，虽可满足要求，但会造成大量的材料浪费；本发明所述的力学计算方法基于钢结构有限元理论，将所有井筒装备作为一个整体进行受力分析，依据井筒装备的空间约束关系和拓扑关系，进行受力计算。该模型通过对立井井筒内空间结构的分析、位移边界条件及节点约束条件的限定，可实现立井井筒装备有关的荷载计算、钢结构受力计算、装备构件的力学可靠性计算等。相比传统力学计算方法具有计算准确率高、可节省材料等优点。
附图说明
29.图1为本发明中煤矿立井井筒装备的力学计算方法的流程图；
30.图2为本发明中立井井筒装备中主要受力的罐道梁受力模型图；
31.图3为本发明中立井井筒装备中主要受力的罐道受力模型图；
32.图4为本发明中立井井筒装备受力计算模型中整体力学模型图；
33.图5为本发明中立井井筒装备受力计算模型中局部节点力学放大图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
37.参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法，
包括如下步骤：
38.步骤1，根据井筒装备模型分析罐道、罐道梁、井壁之间的连接方式；
39.步骤2，设置装备空间结构特征；
40.步骤3，设置位移边界条件；
41.步骤4，设置节点约束条件；
42.步骤5，根据步骤1-步骤4，建立立井井筒装备钢结构有限元力学模型，
43.步骤6，根据立井井筒装备钢结构有限元力学模型进行荷载计算、钢结构受力计算、装备构件的力学可靠性计算。
44.具体的，步骤2中，装备空间结构特征包括罐道梁与井壁、罐道梁与罐道梁、罐道梁与罐道之间均为铰接，构件之间集中力作用点均视为节点，其中相邻节点之间的构件为单元。
45.其中，井筒装备构件包括管子梁、罐道梁、罐道、管路和梯子间。
46.具体的，步骤3中，位移边界的条件设置如下：
47.当井壁与罐道梁的连接方式为梁窝方式，则对应边界单元的边界节点位移设为0；
48.当井壁与罐道梁的连接方式为托架方式，则对应边界单元的边界节点把线位移设为0。
49.其中，边界节点位移包括线位移和点位移。
50.罐道梁与井壁的连接约束位移，连接方式为铰接；罐道接头的连接方式为铰接；罐道与罐道梁连接处位移连续设置。
51.具体的，节点约束条件的设置方法如下：
52.罐道和罐道梁只约束位移，而不约束转角；
53.支撑梁和副支撑梁与井壁的连接处只约束位移，而不约束转角；
54.罐道和罐道梁的连接采用节点束缚的形式，节点束缚的处理也只传递位移而不传递转角；罐道与罐道的连接处是同一个节点。
55.具体的，立井井筒装备钢结构有限元力学模型如下：
56.(1)钢结构节点荷载计算
57.立井井筒装备钢结构有限元力学模型进行荷载受力计算时，各节点仍按传统计算方法(即图2、图3)进行，并按下式进行计算：
58.ph＝q/12 p
x
＝0.8p
h pv＝0.25ph59.其中：q为提升最大终端载荷；ph为罐道与罐道梁正面的水平力；p
x
为罐道与罐道梁侧面的水平力；pv为罐道与罐道梁所受的垂直力。
60.(2)钢结构整体受力计算
61.根据立井井筒装备内节点及单元的空间约束关系和拓扑关系，钢结构整体分布如图4所示，局部节点及单元放大后如图5所示。
62.主要计算步骤如下：
63.①
单元刚度矩阵
64.根据空间结构，依据下式建立单元刚度矩阵。
[0065][0066]
其中iy，iz是对y和z轴的惯性矩，i
p
是对x轴的惯性矩。ei为抗弯刚度，gi
p
为扭转刚度(g为材料剪切模量，i
p
为抗扭惯性矩，i
p
＝iy+iz)，ea为抗拉刚度。
[0067]
②
单元结构转换公式
[0068]
建立单元坐标和结构坐标两类坐标系中单元特性的转换公式。通过单元上的位移矢量、转动矢量、节点力矢量、节点力矩矢量的三维坐标变换矩阵，导出总体坐标系下梁刚度矩阵。
[0069]
把单元位移从结构坐标系转换到单元坐标系的变换矩阵定义为坐标变换矩阵，用符号[t]表示，由下列公式实现：
[0070]
{δ}e＝[t]{δ}
[0071]
式中：{δ}表示结构坐标位移；{δ}e表示单元坐标位移。
[0072]
③
结构特性矩阵
[0073]
由整体坐标系中的单元刚度矩阵的子矩阵集成总体刚度矩阵。结构总体刚度矩阵如下：
[0074][0075]
式中：ae是节点位移向量转换矩阵，为6nj×
6n(nj为单元的节点数；n为结构的节点总数；6表示每个节点有六个自由度)的矩阵；ke表示单元刚度矩阵。
[0076]
④
约束处理
[0077]
将刚性约束、弹性支座以及规定位移约束加入到模型公式中。
[0078]
⑤
求解未知节点位移
[0079]
根据已知数据代入下式，求得相关未知量
[0080]
kδ＝f
[0081]
式中：δ为位移未知量，f为外部受力。
[0082]
⑥
节点内力，单元应变、应力计算
[0083]
求出节点位移δ后，就可以用结构力学公式计算单元节点的内力、应变和应力等力学参数。
[0084]
(3)力学可靠性计算
[0085]
①
弯矩
[0086]
计算出罐道梁和罐道上每个单元的弯矩，从而得到罐道梁和罐道上的最大弯矩。如果有扭矩再结合扭矩求得材料的联合力矩，进而求得最大截面抵抗矩，判断是否小于材料的截面抵抗矩。
[0087]
②
允许应力
[0088]
计算出每个罐道梁和罐道上每个单元的应力，从而得到罐道梁和罐道上的最大应力。判断是否小于该种材料的允许应力。
[0089]
③
允许刚度
[0090]
允许刚度为：即容许相对挠度[f/l](梁最大挠度和梁宽度之比)的倒数。计算出每个罐道梁和罐道上每个单元的最大挠度，从而得到梁上的最大挠度。判断梁的刚度是否大于允许刚度。
[0091]
④
强度计算
[0092]
井筒装备结构强度计算是保证井筒装备结构在使用过程中，在强度破坏准则条件下的荷载及组合作用下不发生强度破坏。井筒装备结构不发生强度破坏，应满足：
[0093]
σ
max
＝σy+σ
x
≤f
[0094]
式中：
[0095]
σ
max
为强度计算荷载条件下，井筒装备结构的最大应力，mpa；
[0096]
σy为井筒装备结构正面最大单元应力，mpa；
[0097]
σ
x
为井筒装备结构侧面最大单元应力，mpa；
[0098]
f为井筒装备结构抗弯强度设计值，mpa。
[0099]
由于井筒装备在使用过程中可能发生疲劳破坏，因此在强度破坏准则条件下井筒装备结构最大应力的应力水平通常按下式进行控制：
[0100][0101]
⑤
刚度计算
[0102]
井筒装备结构刚度计算是保证井筒装备结构在使用过程中，在刚度破坏准则条件下的荷载及组合作用下不发生刚度失效。井筒装备结构不发生刚度失效，应满足：
[0103][0104]
式中：
[0105]cmin
为刚度度计算荷载条件下，罐道、罐梁最小刚度；
[0106]
δy为罐道、罐梁正面最大节点位移，m；
[0107]
δ
x
为罐道、罐梁侧面最大节点位移，m；
[0108]
l为罐道、罐梁计算跨度，m；
[0109]
[c]为罐道、罐梁容许刚度值，通常[c]＝400。
[0110]
⑥
疲劳计算
[0111]
井筒装备结构疲劳强度计算的目的是保证井筒装备结构在使用过程中，在疲劳破坏准则条件下的荷载选取与组合作用下不发生疲劳破坏。由于提升过程中，提升容器质量是变化的，一次提升过程中井筒装备结构循环应力幅为变幅应力幅，其应力幅为：
[0112]
δσi＝σ
imax
＝σ
iy
+σ
ix
[0113]
式中：
[0114]
σ
imax
为疲劳计算荷载条件下，井筒装备结构的最大应力，mpa；
[0115]
σ
iy
为井筒装备结构正面最大单元应力，mpa；
[0116]
σ
ix
为井筒装备结构侧面最大单元应力，mpa；
[0117]
δσi为一次提升过程中井筒装备结构循环应力幅，mpa；
[0118]
i为一次提升过程中井筒装备结构应力循环次数，对于罐道一次提升过程应力循环i＝4。
[0119]
井筒装备结构在使用期内疲劳允许应力为：
[0120][0121]
式中：
[0122]
[δσ]为井筒装备结构疲劳允许应力，mpa；
[0123]
c、β为疲劳试验参数，井简装备焊接截面c＝3.2
×
10
18
，β＝3，整体轧制截面c＝1940
×
10
12
，β＝4；
[0124]
n为应力循环次数，n＝i
·
n；
[0125]
n为井筒装备结构在使用期内提升容器提升次数。
[0126]
将变幅应力幅折算成等效应力幅为：
[0127][0128]
式中：
[0129]
δσd为等效应力幅，mpa；
[0130]
ni为使用期内δσi循环次数。
[0131]
井筒装备结构在使用期内不发生疲劳破坏应满足：
[0132]
δσd≤[δσ]。
[0133]
综上所述，本发明公开了一种煤矿立井井筒装备的力学计算方法，传统计算方法将罐道及罐道梁作为一个个独立的简支梁或超静定梁个体进行受力分析计算，虽可满足要求，但会造成大量的材料浪费；本发明所述的力学计算方法基于钢结构有限元理论，将所有井筒装备作为一个整体进行受力分析，依据井筒装备的空间约束关系和拓扑关系，进行受力计算。该模型通过对立井井筒内空间结构的分析、位移边界条件及节点约束条件的限定，可实现立井井筒装备有关的荷载计算、钢结构受力计算、装备构件的力学可靠性计算等。相比传统力学计算方法具有计算准确率高、可节省材料等优点。
[0134]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。