复合材料锚杆螺纹螺帽接触有限元数值模拟与实验研究

论文摘要

传统制作锚杆尾部螺纹螺帽的材料是钢,钢材成本高、易腐蚀、经常卷入综采设备损坏采煤机刀具、安装时易产生火花。因此,本文提出“用玻璃钢复合材料代替钢材制作锚杆尾部螺纹螺帽”。为解决复合材料锚杆螺纹螺帽联接的强度和刚度问题,本文考虑锚杆外螺纹与螺帽内螺纹之间间隙大小的影响和螺帽长度的影响等因素,利用有限元分析软件ANSYS分别对复合材料锚杆螺纹单螺帽联接和双螺帽联接在间隙配合时,轴向载荷作用下的应力场、位移场进行接触有限元数值模拟。制作样品,进行实验。最后,利用有限元分析软件ANSYS对锚杆螺帽一体结构锚杆轴向载荷作用下的应力场、位移场进行有限元数值模拟。论文研究结果表明:(1)复合材料锚杆外螺纹与螺帽内螺纹之间的间隙大小对复合材料锚杆螺纹螺帽联接的力学性能没有太大的影响。螺帽长度选择应包含有8个完整的螺纹牙,前三个牙承担了全部载荷的70%,第八圈以后牙齿几乎不承受载荷。(2)改变螺帽结构并不能改善锚杆上的应力分布,但能改善螺帽上的应力分布。双螺帽结构螺帽上应力最大值要小于单螺帽结构螺帽,且分布更加均匀。无论是复合材料单螺帽结构还是双螺帽结构锚杆螺纹螺帽联接,最大应力均发生在锚杆与螺帽相互接触的第一个螺纹牙根部,最大应力没有超出煤炭行业标准要求的许用应力,能满足强度要求。最大位移发生在螺帽的承载端部分,最大位移在合理的变形范围内能满足刚度要求。复合材料锚杆螺纹螺帽联接能够达到煤炭行业使用标准。(3)实验结果表明复合材料锚杆螺纹螺帽联接最大承载力为60KN(根据煤炭行业标准最大承载要求50KN再加20%的安全量得来)能够达到煤炭行业使用标准,进一步验证了数值模拟结果的正确性。(4)锚杆螺帽一体结构在受载时锚杆螺帽过渡处存在应力集中,并且能够通过选择合适的过渡圆角半径得到改善。锚杆螺帽一体结构承载能力要高于锚杆螺纹螺帽联接,但在工程实际使用过程中初锚固力施加无法满足要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 螺纹联接结构的国内外研究概况
• 1.1.1 国外螺纹联接研究现状
• 1.1.2 国内螺纹联接研究现状
• 1.2 复合材料的发展与应用
• 1.2.1 复合材料的特点与优点
• 1.2.2 树脂基复合材料的发展
• 1.3 锚杆支护的研究与应用现状
• 1.3.1 锚杆的国内外发展
• 1.3.2 玻璃钢锚杆的发展
• 1.4 课题研究的意义和所做的工作
• 1.4.1 课题提出的意义
• 1.4.2 本课题所做的工作
• 第二章 弹塑性接触问题基本理论
• 2.1 接触问题有限元解的基本概念
• 2.1.1 表面非线性
• 2.1.2 接触面的连接条件
• 2.1.3 接触判定条件
• 2.1.4 加载的不可逆性
• 2.2 二维接触问题有限元法
• 2.2.1 一般有限元解
• 2.2.2 间隙单元法
• 2.3 二维弹塑性接触问题有限单元法
• 2.3.1 二维弹塑性有限元法基本理论
• 2.3.2 二维弹塑性接触问题间隙单元法
• 2.4 运用ANSYS 软件时的基本步骤
• 第三章 模型的建立与有限元模拟
• 3.1 锚杆组成及其工作环境
• 3.2 锚杆螺纹螺帽结构及其尺寸
• 3.2.1 两种螺帽结构
• 3.2.2 锚杆结构
• 3.2.3 螺纹牙形状及尺寸
• 3.3 力学模型的建立
• 3.3.1 建立模型时的几个假设
• 3.3.2 约束条件的设定
• 3.3.3 载荷施加
• 3.4 有限元分析模型的建立
• 3.4.1 单元类型的选择
• 3.4.2 网格的划分
• 3.4.3 分析模型的建立
• 3.5 锚杆螺纹螺帽联接有限元数值模拟
• 3.5.1 间隙的影响
• 3.5.2 螺帽长度的确定
• 3.5.3 单螺帽结构接触有限元分析
• 3.5.4 双螺帽结构接触有限元分析
• 3.5.5 单、双螺帽结构比较分析
• 第四章 锚杆螺纹螺帽联接拉伸破坏实验
• 4.1 实验设计
• 4.1.1 方案设计
• 4.1.2 实验设备
• 4.1.3 实验步骤设计
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 试件的制作
• 4.2.2 锚杆螺帽托板的组合
• 4.2.3 载荷的施加
• 4.2.4 数据采集
• 4.3 实验结果及其分析
• 第五章 锚杆螺帽一体结构分析
• 5.1 传统锚杆的不足
• 5.1.1 操作效率低下
• 5.1.2 失效率高
• 5.2 锚杆结构的改进
• 5.2.1 改锚杆螺帽联接为螺栓联接
• 5.2.2 锚杆螺帽一体结构设计指标
• 5.3 锚杆螺帽一体结构有限元分析
• 5.3.1 基本假设
• 5.3.2 模型的建立
• 5.3.3 有限元模拟结果及分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究内容
• 6.2 本文主要结论
• 6.3 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文
• 个人简介