YZY400靜力壓樁機設(shè)計開發(fā)－大身結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力、強度分析(含全套圖紙)

1、YZY400靜力壓樁機設(shè)計開發(fā)大身結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力、強度分析(含全套圖紙) 全套CAD圖紙或資料,聯(lián)系 695132052 1 緒論1.1液壓靜力壓樁機的發(fā)展概況縱觀液壓靜力壓樁機的發(fā)展過程,大致可將其分為兩個階段:第一階段,從20世紀(jì)70年代后期到90年代中期,國內(nèi)先后研制了幾種壓樁機,并逐步形成系列產(chǎn)品進入市場。其中具有代表性的兩個系列產(chǎn)品是武漢市建筑工程機械廠生產(chǎn)的YZY系列液壓靜力壓樁機和利用中南大學(xué)原中南工業(yè)大學(xué)智能機械研究所的專利技術(shù)生產(chǎn)的ZYJ系列液壓靜力壓樁機。在這個階段主要解決了這種樁機的設(shè)計理論基礎(chǔ)、動力配置和系統(tǒng)設(shè)計問題,滿足了靜壓樁的基本功能。但就整體來說,其主要特征是樁

2、機壓樁力不大,實際使用的最大壓樁力不足4000kN,絕大部分的壓樁力為1 6002400kN;功能單一,主要應(yīng)用于施工現(xiàn)場預(yù)制的截面尺寸為300 mm X 300 mm400mm X 400mm的鋼筋混凝土方樁實心件的正常中位壓樁,單樁設(shè)計承載力標(biāo)準(zhǔn)值在1400kN以下。而預(yù)應(yīng)力管樁和高強度預(yù)應(yīng)力管樁主要是通過錘擊設(shè)備如柴油錘等進行打入施工。 進入20世紀(jì)90年代中期以后,液壓靜力壓樁機進入第二發(fā)展階段。由于1994年底在珠海利用液壓靜力壓樁機將直徑500 mm的預(yù)應(yīng)力管樁壓入強風(fēng)化巖獲得成功,實現(xiàn)了靜壓樁施工技術(shù)的歷史性突破,從此拓寬了靜壓樁的應(yīng)用范圍,也使預(yù)應(yīng)力管樁在城市和居民住宅區(qū)內(nèi)的應(yīng)

3、用找到了一條新路子。一方面,實現(xiàn)了靜壓樁的單樁承載力向大噸位方向的快速發(fā)展,與此同時,市場對大噸位樁機的需求不斷增大,而且要求越來越強烈;另一方面,由于施工范圍的不斷擴大,對樁機功能的要求也日益增多,出現(xiàn)了工程施工中許多必須解決的實際問題。這個階段的樁機品種顯著增加,系列化不斷完善,生產(chǎn)廠家也急劇增多,至今在全國約有30個制造廠。其中湖南山河智能機械股份有限公司的生產(chǎn)能力最大,2003年共生產(chǎn)125臺,占全國年總產(chǎn)量的30%40%。目前的生產(chǎn)能力達到每月15臺,年生產(chǎn)能力在180臺左右,已形成壓樁力為80010000kN的完整的產(chǎn)品系列,生產(chǎn)的最大噸位機型為ZYJl000。1.2液壓靜力壓樁機

4、的發(fā)展趨勢 隨著靜壓樁施工技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的進一步加強,液壓靜力壓樁機的應(yīng)用將獲得更廣泛的推廣。同時,液壓靜力壓樁機技術(shù)及產(chǎn)品將由粗放型向功能精細化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢可歸納如下:? 1.進一步多功能化,產(chǎn)品適應(yīng)能力進一步加強。在較厚硬隔層地質(zhì)條件下施工時,設(shè)計并配置專用的螺旋鉆,提高壓樁機的穿透能力和對地質(zhì)的適應(yīng)能力;對大噸位樁機開發(fā)相應(yīng)的夯實裝置,實現(xiàn)以靜壓替代強夯壓樁管徑可從目前的最大600mm增大到800mm以上。 2.智能化操作與施工的壓樁機開發(fā)。開發(fā)機身液壓自動調(diào)平系統(tǒng),壓樁過程計算機自動記錄及承載力在線測試,夾持力自動均衡控制,實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化操作。 3.異

5、型樁夾持裝置的刀發(fā)。特別是與鋼板樁、工字鋼樁、錐形樁等相適應(yīng)的夾樁機構(gòu)的開發(fā)。 4.壓樁力大、質(zhì)量輕機型產(chǎn)品的開發(fā)。特別是對于鋼板樁連續(xù)墻施工產(chǎn)品的開發(fā)將是今后靜力壓樁機發(fā)月的新領(lǐng)域。 5.適應(yīng)于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機產(chǎn)品的開發(fā)。 6.產(chǎn)品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。1.3靜壓樁機概述 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,我國在20世紀(jì)70年代開始研制生產(chǎn)靜壓樁機。采用靜壓樁機將樁逐段壓入土層中具有如下明顯的優(yōu)點。 1.在施工中無振動、無噪聲、無污染,在城市居住密集區(qū)施工有明顯的優(yōu)越性o 2.油于樁是通過靜力壓入土層,樁沒有受到錘擊樁時所引起的拉伸應(yīng)力波的沖擊,因此樁內(nèi)的鋼筋配置和混凝土的強度均

6、可比柴油錘錘擊樁要小,這樣可節(jié)約樁的工程成本。經(jīng)統(tǒng)計,與打擊樁相比,靜壓樁可節(jié)約鋼材47%,水泥12%。 3.采用柴油錘打樁,樁周邊土壤有一定程度的“液化”,因此,樁要經(jīng)過一段時間“休息”后,才具有真實的承載力,靜壓樁在施工中不會對樁周邊土壤產(chǎn)生較大的干擾,所壓入樁的最終壓力基本上體現(xiàn)了樁的實際承載力,因此施工完成后.根據(jù)壓人過程的壓力曲線可迅速計算出樁的實際承載力。 4.基本上無斷樁。 5.可以直接用靜壓校機對樁進行靜載試驗。 雖然靜壓樁有上述優(yōu)點,但由于靜壓樁機要配有較多的配重,整個機器的拼裝、運輸及工作效率仍然比打擊樁低,所以目前仍不如柴油錘打擊樁與鉆孔樁普及。但隨著城市的發(fā)展,對噪聲及

7、泥漿污染進行越來越嚴(yán)格的限制,靜壓樁機必將越來越受到市場的重視。1.4 YZY系列靜壓樁機的構(gòu)造與工作原理 YZY400型靜壓樁機的構(gòu)造: 它由支腿平臺結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。 1.支腿平臺結(jié)構(gòu)該部分內(nèi)底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導(dǎo)向壓樁架、夾持機構(gòu)、液壓系統(tǒng)裝置和起重機,底盤里面安裝了液壓油箱和操作室,組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊,支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機構(gòu)相聯(lián)。整個樁機通過平臺結(jié)構(gòu)連成一體,直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎

8、臺邊,工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。 2.長船行走機構(gòu) 為長船行走機構(gòu),它內(nèi)船體,行走臺車與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián),行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時,頂升液壓缸頂升使長船落地,短船離地,接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車,使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地,短船落地。短船液壓缸動作時,長船船體懸掛在樁機上移動,重復(fù)上述動作,樁機即可縱向行走。 3. 短船行走機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu) 它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成。回轉(zhuǎn)梁兩端與底盤結(jié)構(gòu)鉸接,中間由回轉(zhuǎn)軸與行走梁相聯(lián)。行走

9、梁上裝有行走輪,正好落在船體的軌道上,用焊接在船體上的掛輪機構(gòu)1掛在行走梁上,使整個船體組成?體。液壓缸的一端與船體鉸接.另一端與行走梁鉸接。工作時,頂升液壓缸動作,使長船落地,短船離地.然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程,長船離地,短船落 地,短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉(zhuǎn)梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復(fù)交替進行,實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉(zhuǎn)動作是:長船接觸地面,短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程,然后短船接觸地面,長船離地,此時讓兩個短船液壓缸一個伸出?個收縮,于是樁機通過回轉(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動。油缸行程走滿,樁機可轉(zhuǎn)

10、動15度左右,隨后頂升液壓缸讓長船落地,短船離地,兩個短船液壓缸又恢復(fù)到1/2行程處,并將行走梁恢復(fù)到回轉(zhuǎn)梁平行位置。重復(fù)上述動作,可使整機回轉(zhuǎn)到任意角度。 4.夾持機構(gòu)與導(dǎo)向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導(dǎo)向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面,壓樁液壓缸與導(dǎo)向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內(nèi),夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動,使夾持機構(gòu)在導(dǎo)向架內(nèi)上下運動,將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸,返回后繼續(xù)上述程序。1.5大身結(jié)構(gòu)總述 大身是整臺液壓靜力壓樁機的重要組成部分,一方面它承受著整個壓樁機除行走(或支撐)部分的全部重量,并

11、使樁機的起重機、壓樁結(jié)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)的工作。另外,它連接了樁機上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu),使本來不能移動的上部結(jié)構(gòu)能夠通過下部結(jié)構(gòu)行走、移位。因此,大身結(jié)構(gòu)設(shè)計將直接影響整個樁機的操作性能、工作性能。1.6大身結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 1 滿足剛度、強度、穩(wěn)定性要求 眾所周知,大身是整臺樁機重要組成部分,樁機的上部結(jié)構(gòu)包括駕駛室、立柱、起重機、配重等都作用在大身上。而且,這些重量巨大,因為壓樁機的自重決定了最大的壓樁能力。所以在大身結(jié)構(gòu)設(shè)計時一定要考慮其強度。另外,如果大身結(jié)構(gòu)剛度不夠,在打樁時大身就會產(chǎn)生較大的變形。這必然會影響打樁的精度,如使樁機無法對準(zhǔn)樁位或者使樁在壓入時造成傾斜而造成作業(yè)無效。 2 大身結(jié)構(gòu)

12、與相關(guān)的部件在尺寸上的協(xié)調(diào) 與大身相連的結(jié)構(gòu)有立柱、大船(橫向)、小船(縱向)及駕駛室、支腿、支柱和油箱、泵、電機構(gòu)件。大身的結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要使這些部件能合理布置。 3 方便操作 大家知道,整臺液壓靜力壓樁機的有效部件都是布置在大身上的。在大身結(jié)構(gòu)設(shè)計時一定要考慮各部件操作時連續(xù)性與合理性。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮樁機操作性能。 4 方便維修(可維修行) 在設(shè)計時要考慮萬一所設(shè)計的部件出現(xiàn)故障或者相關(guān)部件出現(xiàn)故障后可維修性。如果所設(shè)計的結(jié)構(gòu)不具有可維修性,而因結(jié)構(gòu)的一點小故障而葬送整個結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是不合理的。 5 經(jīng)濟性 現(xiàn)在是市場經(jīng)濟時代,效益是生存之本。怎樣獲取高的效益,當(dāng)然是在滿

13、足要求的情況下獲得最簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計,獲取最大的經(jīng)濟效益。1.7 本畢業(yè)設(shè)計(論文)的主要工作 (1)了解分析全液壓靜力壓樁機的結(jié)構(gòu)與原理; (2)運用CAD畫出全液壓靜力壓樁機大身結(jié)構(gòu)主要零部件的圖紙; (3) 根據(jù)大身的結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS,建立大身結(jié)構(gòu)有限元分析模型,求解它在工作狀態(tài)下的應(yīng)力情況以進行必要的強度分析;(4) 如果分析所得最大應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力,則對設(shè)計方案提出改進意見。2 有限元理論概述 有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法,是解決工程實際問題的一種有力的數(shù)值計算工具,最初這種方法被用來研究復(fù)雜的飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力.它是將彈性理論、計算數(shù)學(xué)和計

14、算機軟件有機地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù);后來由于這一方法的靈活、快速和有效性,使其迅速發(fā)展成為求解各領(lǐng)域的數(shù)理方程的一種通用的近似計算方法.目前,它在許多學(xué)科領(lǐng)域和實際工程問題中都得到廣泛的應(yīng)用,因此,在工科院校和工業(yè)界受到普遍的重視。 在求解工程技術(shù)領(lǐng)域的實際問題時,建立基本方程和邊界條件還是比較容易的,但是由于其幾何形狀、材料特性和外部荷載的不規(guī)則性,求得解析解卻是很困難的。因此,尋求近似解法就成了必由之路.經(jīng)過多年的探索,近似算法有許多種,但常用的數(shù)值分析方法就是差分法和有限元法。 差分法計算模型可給出其基本方程的逐點近似值差分網(wǎng)格上的點。但對于不規(guī)則的幾何形狀和不規(guī)則的特殊邊界條件

15、差分法就難于應(yīng)用了。 有限元法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點處互相連接的子域單元所構(gòu)成,其模型給出基本方程的分片子域近似解。由于單元子域可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸,所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件.再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持,使其已成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計算方法。 在實際研究中我們常常把復(fù)雜系統(tǒng)分解成性態(tài)容易了解的單個元件或“單元”,研究其性態(tài),再將這些元件重建原來的系統(tǒng)以得到整體性態(tài)。這是工程技術(shù)人員和科學(xué)家經(jīng)常采用的分析問題的方法。 有限元的基本思想,可以從兩個不同的角度去理解,但其實質(zhì)卻是一樣的。一種是樸素的,實質(zhì)上是工程的推

16、想:把一個連續(xù)的彈性體(或是結(jié)構(gòu))簡化為由若干個離散的元素組合而成的等效組合體。而整個結(jié)構(gòu)又是由有限個數(shù)目的元素組合而成的,當(dāng)然也可以用有限個參數(shù)來加以描述。所以它的基本方程式將是一個代數(shù)方程組,在數(shù)學(xué)上屬于離散體系。即用代數(shù)方程組來取代描述真實彈性體的微分方程組,在求解時當(dāng)然極為有利。 另一方面,從數(shù)學(xué)的角度來看,有限元是求解數(shù)學(xué)物理方程的一種數(shù)值方法。在有限元中,測試函數(shù)要“分片地”選取。這就是說:首先把整個域劃分成若干“子域”,然后分別在子域上選取測試函數(shù),并要求這些測試函數(shù)在各個子域內(nèi)部,在子域之間地分界面上(稱為內(nèi)部邊界)以及子域與邊界地分界面上(稱為外部邊界)有均滿足一定的條件(譬

17、如位移協(xié)調(diào)或應(yīng)力平衡)2.1 有限元基本理論2.1.1 有限元理論的基本思想 1 假想把連續(xù)系統(tǒng)包括桿系,連續(xù)體,連續(xù)介質(zhì)分割成數(shù)目有限的單元,單元之間只在數(shù)目有限的指定點稱為節(jié)點處相互連接,構(gòu)成一個單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點上引進等效載荷或邊界條件,代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷或邊界條件。 2 對每個單元由分塊近似的思想,按一定的規(guī)則由力學(xué)關(guān)系或選擇一個簡單函數(shù)建寸求解未知量與節(jié)點相互作用力之間的關(guān)系力?位移、熱量? 溫良、電壓?電流等。 3 把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件變形協(xié)調(diào)條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理集合起來,引入邊界條件,構(gòu)成一組以節(jié)點變量位移、溫度、電壓等

18、為未知量的代數(shù)方程組,求解之就得到有限個節(jié)點處的待求變量。 所以.有限元法實質(zhì)上是把具有無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng),理想化為只有有限個自由度的單元集合體,使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題。2.1.2 有限元理論的特點 有限元方法應(yīng)用于大量問題,既包括結(jié)構(gòu)問題,也包括非結(jié)構(gòu)問題。這種方法有很多優(yōu)缺點,因而變得很普遍。這些優(yōu)缺點包括:(1)可以很容易地模擬不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)。(2)可以毫無困難地處理一般的載荷條件。 3因為單元方程是單個地建立的,因此可以模擬由幾種不同材料構(gòu)成的物體。 4可以處理數(shù)量不受限制的和各種類型的邊界條件。 5單元的尺寸大小可以變化,必要時可使用小單元。 6改變有限元模型比

19、較容易,花費不大。 7可包括動態(tài)作用。 8可處理大變形和非線性材料帶來的非線性問題。 結(jié)構(gòu)有限元分析使設(shè)計者能在設(shè)計過程種探知應(yīng)力,振動和熱應(yīng)力問題,能夠在構(gòu)造樣板之前對設(shè)計更換做出估計。因此,對樣本可以接受的信心就增強了。此外,如果用得適當(dāng),有限元方法還可以減少必須建造的樣板的數(shù)量。雖然有限元方法開始時是用于結(jié)構(gòu)分析的,它已被修改可適用于工程和數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域的其他學(xué)科,如流體流動,熱傳導(dǎo),電磁電位,土力學(xué)和聲學(xué) 9 概念清楚,容易理解?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘υ摲椒ǖ睦斫狻氖褂玫挠^點來講,每個人的理論基礎(chǔ)不同,理解的深度也可以不同,既可以通過直觀的物理意義來學(xué)習(xí),也可以從嚴(yán)格的力學(xué)概念和數(shù)

20、學(xué)概念推導(dǎo)10 適應(yīng)件強,應(yīng)用范圍廣泛。有限元法可以用來求解工程中許多復(fù)雜的問題,特別是采用其他數(shù)值計算方法如有限差分法求解困難的問題、如復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀問題,復(fù)雜邊界條件問題,非均質(zhì)、非線性材料問題,動力學(xué)問題等。目前,有限元法在理論上和應(yīng)用上還在不斷發(fā)展。今后將更加完善和使用范圍更加廣泛。 11有限無法采用矩哭雜陣形式表達,便于編制計算機程序.可以充分利用高速數(shù)字計算機的優(yōu)勢。由于有限元法計算過程的規(guī)范化,目前在國內(nèi)外有許多通用程序,可以直接套用,非常方便。著名的有SAP系列,ADINA.ANSYS,ASKA,NASTRAN,MARK,ABAQUS等。 12有限元法的主要缺點是解決工程問題必須

21、首先編制或具有計算機程序,必須運用計算機求解;另外,有限元計算前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、計算結(jié)果的數(shù)據(jù)整理工作量相當(dāng)大。然而,在計算機日益普及的今天,使用計算機已不再困難。對于后一缺點可通過用計算機進行有限元分析的前、后處理來部分或全部地解決。2.1.3 有限元的前后處理 一般來講,有限元法的分析過程包括以下幾步: 1 計算模型的幾何部分,數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)淮備; 2 計算分析; 3 計算結(jié)果的分析、整理和圖形顯示。 有限元發(fā)展初期,第1步和第3步工作都是由人工來做的,既耗費時間又容易出錯。有統(tǒng)計資料表明,由手工剖分有限元計算模型,其工作量占到整個有限元分析過程工作量的45%。用人工分析有限元計算結(jié)果則要占整

22、個工作量的50%,而計算分析由于是計算機完成,工作量只占全部工作量的5%。以第1步工作為例.首先要將所分析的模型按一定的比例放大或縮小地畫在坐標(biāo)紙上,其次按所選定的單元形式對它進行剖分,按一定的順廳編單元號和節(jié)點號。然后,準(zhǔn)備各種數(shù)據(jù)以供有限元分析之用。這些數(shù)據(jù)主要有: 節(jié)點信息?包括節(jié)點編號和節(jié)點的二維或三維坐標(biāo); 單元信息?包括單元編號及單元中節(jié)點號的排列順序; 材料信息?包括計算模型的材料性質(zhì)彈性模量、泊松比、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等; 載荷信息?包括計算模型所受負載信息集中力、體積力、表面力、溫度、壓力等; 約束信息?包括計算模型的初始條件和邊界條件。 最后還必須將所有這些數(shù)據(jù)一一輸入計算機。

23、 有限元分析的前處理就是使計算模型的集合部分、數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)輸入這部分工作部分或完全由計算機自動完成。而有限元分析的后處理則是將有限元計算結(jié)果由計算機整理成易于閱讀或分析的數(shù)值或圖形形式。2. 1. 3. 1有限元分析的前處理技術(shù) 有限元法的前處理主要有下列內(nèi)容: 1計算模型的幾何表示; 2模型網(wǎng)格的自動剖分; 3剛度矩陣的帶寬優(yōu)化; 4模型網(wǎng)格圖的計算機繪制。2. 1. 3. 2 有限元分析的后處理技術(shù) 有限元的計算結(jié)果是大量的數(shù)值數(shù)據(jù).從打印的數(shù)值結(jié)果中很難直接分析計算結(jié)果是否正確,是否合理,甚至看不出是否得到了預(yù)期的結(jié)果。例如結(jié)構(gòu)強度分析問題,計算結(jié)果是節(jié)點位移值和應(yīng)力值,位移值表示結(jié)構(gòu)

24、的變形.應(yīng)力值可分析結(jié)構(gòu)的安全性。但從成干上萬的位移數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)中是看不出結(jié)構(gòu)的變形情況和應(yīng)力分布情況的。因此,必須對有限元計算結(jié)果進行再分析、再處理。2.2 ANSYS軟件簡介 有限單元法是利用電子計算機進行數(shù)值模擬分析的方法,目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,有限元計算結(jié)果己成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。國際上著名的通用有限元軟件有幾十種,常用的如SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、ALGOR?FEM等。 本論文中所用的是ANSYS軟件,在此只對ANSYS軟件進行簡要介紹。 ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件

25、。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域,ANSYS是這些領(lǐng)域進行國際國內(nèi)分析設(shè)計技術(shù)交流的主要分析平臺。 自1970年美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授John Swanson博士開發(fā)出ANSYS以來,在30多年的發(fā)展過程中,ANSYS不斷改進提高,功能不斷增強。2.2.1 ANSYS主要技術(shù)特點 ANSYS作為一個功能強大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件,其技術(shù)特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果,實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 (2) 強大的建模能力。ANSYS

26、具備三維建模能力、僅靠ANSYS的GUI圖形界面就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。 (3)強大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器,用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 (4)強大的非線性分析功能。ANSYS具有強大的非線性分析功能,可進行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 (5)智能網(wǎng)格劃分。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能,根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。 (6)良好的優(yōu)化功能。利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計功能,用戶可以確定最優(yōu)設(shè)計方案;利用ANSYS的拓撲優(yōu)化功能,用戶可以對模型進行外型優(yōu)化.尋求物體對材料的最佳利用。 (7) 可實現(xiàn)多場耙合功能。ANSYS可以實現(xiàn)多物理場耦合分析,研究

27、各物理場間的相互影響。 (8)提供與其他程序接口。ANSYS提供了與多數(shù)CAD軟件及有限元分析軟件的接口程序,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換、如PPro/Engineer、NASTRAN、Algor-FEM、I?DEAS、AutoCAD、Solidworks、Parasolid等。 (9)良好的用戶開發(fā)環(huán)境。ANSYS開放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用APDL、UIDL和UPFS對其進行二次開發(fā)。2.2.2 ANSYS主要功能1.結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)在荷載作用下的靜、動力行為,研究結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定。2.熱力學(xué)分析 熱力學(xué)分析用于分析系統(tǒng)或部件的溫度分布,以及其他熱物理參數(shù),如熱梯度、熱流密度等。

28、3.流體分析 流體分析用于確定流體的流動及熱行為。4.ANSYS電磁場分析 電磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流能耗及磁通量泄漏等。5.耦合場分析 耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。當(dāng)兩個物理場之間相互影響時,單獨求解一個物理場得不到正確結(jié)果,因此需要將兩個物理場組合到一起來分析求解。ANSYS中可以實現(xiàn)的耦合場分析包括;熱一結(jié)構(gòu)、磁?熱、磁一結(jié)構(gòu)、流體一熱、流體一結(jié)構(gòu)、熱一電、電一磁?熱?流體一結(jié)構(gòu)等。 本論文中僅僅用到結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中的靜力分析和模態(tài)分析。其中靜力分析是用于分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為,可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性。例如:大變形、大

29、應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。模態(tài)分析是計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形。2.2.3 ANSYS一般分析步驟 ANSYS典型的分析過程由前處理、求解計算和后處理三個部分組成。 1.前處理 定義工作文件名 設(shè)置分析模塊。 定義單元類型和選項。 定義實常數(shù)。 定義材料特性。 建立分析幾何模型。 對模型進行網(wǎng)格劃分。 施加荷載及約束。 2.求解計算 選擇求解類型。 進行求解選項設(shè)定。 3.后處理 從求解計算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)。 對計算結(jié)果進行各種圖形化顯示。 可對計算結(jié)果進行列表顯示。 進行各種后續(xù)分析。 3 全液壓靜力壓樁機大身的建模與分析3.1 YZY系列靜壓樁機的構(gòu)造與工作原理 YZY40

30、0型靜壓樁機的構(gòu)造: 它由支腿平臺結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。 1.支腿平臺結(jié)構(gòu)該部分內(nèi)底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導(dǎo)向壓樁架、夾持機構(gòu)、液壓系統(tǒng)裝置和起重機,底盤里面安裝了液壓油箱和操作室,組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊,支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機構(gòu)相聯(lián)。整個樁機通過平臺結(jié)構(gòu)連成一體,直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎臺邊,工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。 2.長船行走機構(gòu) 為長船行走機構(gòu),它內(nèi)船體,行走臺車與頂升液壓缸

31、等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián),行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時,頂升液壓缸頂升使長船落地,短船離地,接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車,使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地,短船落地。短船液壓缸動作時,長船船體懸掛在樁機上移動,重復(fù)上述動作,樁機即可縱向行走。 3. 短船行走機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu) 它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成?；剞D(zhuǎn)梁兩端與底盤結(jié)構(gòu)鉸接,中間由回轉(zhuǎn)軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪,正好落在船體的軌道上,用焊接在船體上的掛輪機構(gòu)1掛在行走梁上,使整個船體組成?體。液壓缸的一端與船體鉸

32、接.另一端與行走梁鉸接。工作時,頂升液壓缸動作,使長船落地,短船離地.然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程,長船離地,短船落 地,短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉(zhuǎn)梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復(fù)交替進行,實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉(zhuǎn)動作是:長船接觸地面,短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程,然后短船接觸地面,長船離地,此時讓兩個短船液壓缸一個伸出?個收縮,于是樁機通過回轉(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動。油缸行程走滿,樁機可轉(zhuǎn)動15度左右,隨后頂升液壓缸讓長船落地,短船離地,兩個短船液壓缸又恢復(fù)到1/2行程處,并將行走梁恢復(fù)到回轉(zhuǎn)梁平行位置。

33、重復(fù)上述動作,可使整機回轉(zhuǎn)到任意角度。 4.夾持機構(gòu)與導(dǎo)向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導(dǎo)向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面,壓樁液壓缸與導(dǎo)向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內(nèi),夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動,使夾持機構(gòu)在導(dǎo)向架內(nèi)上下運動,將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸,返回后繼續(xù)上述程序。3.2 載荷分析3.2.1 約束部分 (1)四個支腿全約束;(2)油缸結(jié)合面3.2.2 載荷部分 大身上表面4000000N均布3.3 有限元模型建立材料參數(shù)參數(shù)名數(shù)值單位楊氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.

34、3 ANSYS提供了多種單元節(jié)點生成的方法,這里我們采用ANSYS網(wǎng)格內(nèi)部自動劃分功能,得到337,125個節(jié)點,283,271個單元。 生成的有限元模型如下:把所有的約束與載荷加在此模型上得到下面的圖:3.4全液壓靜力壓樁機的強度分析其所受的變形圖如下:應(yīng)力分布圖如下:底面應(yīng)力分布如下:應(yīng)力分布及其變形圖如下:支腿應(yīng)力分布如下:壓樁孔應(yīng)力分布如下:最大應(yīng)力發(fā)生處: 最大應(yīng)力出現(xiàn)在支腿與大身連接處,為33.561Mpa,滿足強度要求,該設(shè)計是成功的。 綜上所述,對大身進行了有限元方法的計算、分析;結(jié)果表明,設(shè)計強度滿足材料性能,并且真實反映大身的強度薄弱點,為大身的改進設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。 4

35、結(jié)論本文對YZY400靜力壓樁機大身結(jié)構(gòu)進行了限元應(yīng)力、強度分析,主要成果有以下幾個方面: 1 通過對的塔式起重機機身結(jié)構(gòu)了解,根據(jù)設(shè)計圖紙建立了大身力學(xué)模型。本文的研究為大身的應(yīng)力和強度分析奠定了基礎(chǔ)。 2 根據(jù)所建立的全液壓靜力壓樁機大身結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,利用大型的CAD/CAM/CAE軟件ANSYS,對大身進行了應(yīng)力和強度分析,結(jié)果符合實際情況。 5.總結(jié)與展望 本文的撰寫過程需要用到全新的軟件Pro/ENGINEER和ANSYS,也需要用到?jīng)]有學(xué)過的有限元知識,所以本論文有一定的難度,但在我的努力和老師的幫助下順利完成了設(shè)計任務(wù)。 本論文是在設(shè)計已完成的基礎(chǔ)上對其進行應(yīng)力和強度分析,預(yù)測

36、其在實際工程中是否實用,最后所得結(jié)果是比較令人滿意的。但由于本人初學(xué)有限元理論,對有限元基本理論的認識還遠遠不夠,對ANSYS的應(yīng)用還需要進一步的學(xué)習(xí)。 本文所建三維模型基本都是嚴(yán)格按照設(shè)計尺寸所建,在進行分析時適當(dāng)?shù)貏h減了某些對結(jié)果無影響的部分,這大大節(jié)省了計算的時間。 由于時間關(guān)系,本文的加載數(shù)據(jù)也是參照已有的理論數(shù)據(jù)值,自己沒有計算,如果自己計算,相信論文一定會更加豐滿。 如果計算所得結(jié)果超出了材料的許用應(yīng)力,那么則應(yīng)該對模型進一步進行修改,這充分地體現(xiàn)了本次分析所帶來的意義,不必像以前那樣等樣品出來進行實驗后才知道所設(shè)計的產(chǎn)品合不合格。 本文的研究為靜力壓樁機的設(shè)計、制造提供了理論依據(jù)。 本文的工作還可以進行進一步的研究,比如對靜力壓樁機進行動力學(xué)分析,靜力壓樁機系統(tǒng)性能仿真等等。 由于時間倉促,并且這是我們第一次接觸有限元知識,其中難免有錯誤和疏漏之處,懇請各位老師提出寶貴意見。致謝: 本文從選題到論文撰寫、完稿過程中,王東方老師始終給與悉心指導(dǎo),并對本文的初稿進行了認真的批閱與修改,提出了許多寶貴