旋挖鉆機(jī)工作裝置有限元分析

2013-06-16  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

旋挖鉆機(jī)適用于各類城市交通建設(shè),鐵路公路橋梁建設(shè),高層建筑等樁基基礎(chǔ)工程施工,旋挖鉆機(jī)工作裝置是旋挖鉆機(jī)的主要工作部件,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到旋挖鉆機(jī)作業(yè)的可靠性及安全性.工作裝置中的桅桿作為力學(xué)結(jié)構(gòu)中的細(xì)長(zhǎng)桿件,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯得十分重要.本文通過有限元分析計(jì)算,獲得工作裝置的應(yīng)力分布和變形情況,模態(tài)及桅桿的臨界屈曲載荷,為旋挖鉆機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù).

1 建立工作裝置幾何模型

將UG建立的工作裝置實(shí)體模型,導(dǎo)入NX MASTERFEM前處理器提取其中面,因?yàn)閷?shí)體模型不重視幾何體之間的連接性,因此需要對(duì)提取的中面進(jìn)行縫補(bǔ)使其幾何相聯(lián),同時(shí)在模型中保留需要用一維有限元單元來模擬的部分實(shí)體,如鉆桿、繩索等,處理好的幾何模型見圖1。

2 建立有限元模型

旋挖鉆機(jī)工作裝置的組成部件較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為使計(jì)算準(zhǔn)確,高效又能真實(shí)地反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性,我們采用以下建模方法。對(duì)于厚寬比小于1/5的薄板采用shell單元來模擬,對(duì)于厚板采用計(jì)算精度較高的六面體solid單元?jiǎng)澐?因?yàn)殂@桿、油缸和繩索不是研究的重點(diǎn),在這里我們進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化模擬,鉆桿和油缸采用Beam單元來模擬,繩索、銷軸和螺栓采用Rbar單元來模擬,用耦合自由度(coupled DOF)來模擬工作裝置相聯(lián)的銷軸處轉(zhuǎn)動(dòng)幅及鉆桿支架的移動(dòng)幅,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)各處的轉(zhuǎn)動(dòng)幅"釋放耦合自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.
   
分別建立吊錨架,上桅桿體,中桅桿體,下桅桿體,主卷揚(yáng)體,輔卷揚(yáng)體,動(dòng)臂的有限元模型,然后用有限元模型裝配方法,將他們裝配成整體有限元模型.本模型共有結(jié)點(diǎn)132094個(gè),單元134053個(gè).有限元模型及局部放大圖見圖2,圖3.

材料特性:材料為Q345:彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3.

3 計(jì)算工況分類

采用模擬實(shí)際工作環(huán)境的方法,確定如表1所示幾種典型工況進(jìn)行計(jì)算分析:

4 計(jì)算結(jié)果分析

利用NASTRAN求解器對(duì)車架的有限元模型進(jìn)行求解,求得工作裝置的應(yīng)力和位移圖,見圖4~圖11(增大了變形顯示比例)工作裝在6種工況中的應(yīng)力分布各有不同,但應(yīng)力水平比較接近,工況1工作裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊錨架根部側(cè)邊,其應(yīng)力值達(dá)到321MPa,接近Q345的許用應(yīng)力345MPa.工作裝置的最大位移出現(xiàn)在吊錨架頂部,其值為0.103m.工況2工作裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)臂上,其應(yīng)力值達(dá)到133MPa,低于Q345的許用應(yīng)力345MPa.工作裝置的最大位移出現(xiàn)在吊錨架頂部,其值為0.0689m.其余各工況各部件的應(yīng)力值普遍在130MPa以下,其中中桅桿的應(yīng)力值較低,普遍在80MPa以下,是比較安全的.

5 模態(tài)分析

模態(tài)也叫固有振型,結(jié)構(gòu)按某一固有圓頻率振動(dòng)時(shí),各節(jié)點(diǎn)位移振幅相對(duì)關(guān)系,也可以說相對(duì)振幅.對(duì)于一個(gè)有限元模型來說,有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度,就有多少個(gè)模態(tài),在實(shí)際工程中,當(dāng)計(jì)入激振頻率值范圍內(nèi)的固有頻率對(duì)應(yīng)的主振型,然后用模態(tài)疊加法計(jì)算出結(jié)構(gòu)對(duì)激振力響應(yīng),一般已能得到較好的近似解.

另外,還應(yīng)指出的是,結(jié)構(gòu)是否能產(chǎn)生共振,不僅與激振力的頻率有關(guān),而且與激振力的空間分布有關(guān),如果某模態(tài)振型與激振力正交,那么即使這些主振型的固有頻率接近激振力的頻率,也不會(huì)發(fā)生共振.

經(jīng)計(jì)算分析,取前3階模態(tài),其模態(tài)頻率分別為1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具體振型見圖12~圖14(模態(tài)振型圖),由于挖斗的最大轉(zhuǎn)速為22r/min(0.37Hz),所以不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象.

6 桅桿屈曲分析

利用I-DEAS中的Linear Buckling分析模塊進(jìn)行桅桿屈曲分析.

屈曲分析的第一個(gè)子工況為求解下列線性方程組的線性靜力分析.

一個(gè)真實(shí)的結(jié)構(gòu)有無限多個(gè)自由度.有限元模型用有限個(gè)自由度模擬結(jié)構(gòu)的性能.有限元模型能得到的屈曲載荷的數(shù)目等于模型的自由度數(shù).也就是說我們最關(guān)心的是最小臨界載荷.因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在達(dá)到任何更高的屈曲載荷之前已經(jīng)破壞了.

建立桅桿屈曲分析有限元模型" 施加旋挖鉆機(jī)最大壓力載荷P*和約束條件,組成有限元計(jì)算模型,見圖15.進(jìn)行求解計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖16所示,得到臨界屈曲載荷比例因子λi=5.18,故臨界屈曲載荷.桅桿在旋挖鉆機(jī)最大壓力載荷不會(huì)失穩(wěn),表現(xiàn)出了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

7 結(jié)論

在計(jì)算的6種危險(xiǎn)工況中,主卷揚(yáng)最大提升時(shí),吊錨架根部應(yīng)力較大,容易造成局部塑性變形,可以在其根部增加加強(qiáng)筋,以提高強(qiáng)度.中桅桿部分區(qū)域在各工況中,應(yīng)力都較低,可以適量減少中桅桿部分區(qū)域用料以降低成本.對(duì)改進(jìn)后的模型再次進(jìn)行了強(qiáng)度和屈曲分析驗(yàn)證了改進(jìn)的可行性.

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