摘要：本文通过煤矿立井井架的有限元简化模型，利用ANSYS软件，对井架结构的受力情况和稳定性做了一定的分析，并计算出在最大载荷下井架的最大的应力和位移，通过最大位移节点得出了响应的最大应力值，为煤矿立井井架的设计提供了依据和方法。
关键词：有限元模型 ANSYS 结构 力学分析
1、概述
为保证井架正常工作，结构必须满足强度、刚度以及稳定性等力学要求。由于井架结构的复杂性，在以往的井架结构受力分析计算中，往往是人工计算，计算量不仅复杂庞大，计算结果也往往与实际受力情况相差很大。井架结构的力学行为分析是采用线性理论确定井架结构在给定荷载作用时应力和位移的分布。而应用计算机辅助工程技术，利用合理的模型，就能够很容易的分析出受力结果。在此，我们应用有限元软件ANSYS对井架的主要支撑件做了受力分析。
2、有限元简介
有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面体等）的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。
3、有限元分析模型
从由于井架结构的复杂性，从分析目的与井架的模型特点出发，对井架做以下简化处理：
将井架的计算模型简化为空间杆系计算模型，其中以井架各杆件自然焊接点作为有限元分析的计算结点；
建模时略去护栏、栏框等附属物，因为这些零件对井架的刚度影响不大；
井架中的各个杆件用三维梁单元（beam4）作为单元类型，三维弹性梁单元具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元。模型中的节点的确定遵循如下原则：（1）井架的节点为模型的节点；（2）施力点为模型的节点。该模型由50个节点，111个单元组成。
在每个节点上有六个自由度，即沿X、Y、Z轴移动和绕X、Y、Z转动。
4、立井井架的强度有限元分析
4.1 载荷的确定
提升采用的荷载为主提升钢丝绳的破断荷载，即当主提升钢丝绳发生破断时，井架还是安全的。采取立井提升系统图（图3所示）计算作用在天轮平台主梁上的作用力。在有限元计算模型中，将作用在平台上的力分解为X、Y方向分别施加在天轮平台梁上，因其他荷载与钢丝绳的破断力相比比较小，可以忽略不计。
4.2 井架结构线性静力分析
以主提升钢丝绳的破断力为额定荷载，施加在平台梁的三个节点上，通过计算分析得到井架的位移和应力如（图1）所示。
从图上可以看出，在荷载作用下，X向的位移在斜撑的中部位置最大，而Y向的位移则在平台主梁与天轮相接的地方最大，从整个结构的总位移量来看，结构还是在平台梁附近位移最大。
取井架结构中受应力较大的8个单元，单元编号如图7所示，计算求得的安全系数见（表1）。
整个井架结构的最大应力为35.4Mpa，因井架结构的材料为Q235钢，其屈服点约为235MPa，由此可见，当当达到主提升钢丝绳的破断力极限时井架结构满足强度极限，且具有较高的强度储备。
5、井架结构稳定性分析
井架的稳定性分析也是结构分析的一个重要组成部分，ANSYS中通过特征值屈曲分析来确定结构失稳的临界荷载。由屈曲分析得到的井架失稳模态如图2所示。
经过对井架的特征屈曲分析，得到结构的临界荷载为2546KN，井架结构各构件在达到此荷载前，早已发生强度破坏。
6、结语
通过对井架的结构静力分析以及稳定性分析可以看出，本井架完全符合强度要求以及正常使用要求。
