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液压静力压桩机悬臂的有限元分析

发布于:2018-09-10 22:40
有限元分析

      液压静力压桩机是实施静力压桩工法的关键施工设备。这种设备施工时具有无震动、无噪声、无油污飞溅、施工质量好、使用费用低、工作效率高、压桩速度快、操编辑劳动强度低等特点,是具有中国特色的环保型桩工机械。正是由于液压静力压桩机具有这些特点,所以在现代建筑基础施工领域得到广泛应用。但由于液压静力压桩机工作条件不好,工况复杂,致使压桩机的悬臂在工作中发生开裂,降低使用寿命或不能满足工程施工的要求而影响施工。液压静力压桩机悬臂结构的设计,大多是利用材料力学常识进行强度分析的,往往注重的是宏观结构和制造工艺等方面的要求,而忽略了其微观特征。本研究利用有限元分析方法,在短船悬空,长船着地支撑且均匀受力这一典型工况下,对液压静力压桩机悬臂进行静态分析,阐述液压静力压桩机悬臂受力特征,探讨结构优化的途径。
      利用材料力学常识,液压静力压桩机在短船悬空,长船着地支撑且均匀受力这一典型工况下,其悬臂可视为简支梁,受力情况如图所示。根据设计资料及工作要求,利用材料力学常识分析计算可得其剪力和弯矩图分别如图所示。由此可知其危险截面可能在D处。而D截面的结构尺寸及形状分别如图所通过分析计算。
      利用SolidWorks,挺立悬臂和机身的模型如图所示。(1)利用Cosmos有限元分析App,对实体模型用标准网格器按实体网格类型4Point形式划分网格,如图所示。(2)定义材料为普通碳素结构钢Q235C密度为7.8Xe3kg/m3;弹性模量为2.06X1O5MPa,泊松比为0.3;(3)施加载荷与约束,按工作需要添加配重,同时对四个支腿油缸进行约束,在建立实体模型时,省略了长船,四个支腿着地时,支腿球头以一球面约束模拟。悬臂和机身受载与约束如图。利用Directsparse解算器进行求解,得到最大应力为181.4MPa,应力图解与变形示意如图所示。
      通过上面的分析计算可知:利用Cosmos有限元分析App,进行实际工况模拟分析计算得出:181.4MPa>147MPa,说明悬臂的工作情况是不安全的,这与实际情况是相符合的。利用材料力学得出的结论与实际情况有出入,认为主要有以下几方面的原因:(1)材料力学的模型是一简支梁,这与实际情况是不符合的。(2)材料力学计算中,把机身与悬臂机构当成一个整体,忽略了它们之间的联接,这样,计算中的受力情况与实际受力情况是不完全一致的。
      (1)利用Cosmos有限元分析时,悬臂的变形与实际变形情况完全一致,产生裂纹或发生开裂的情形与实际情况也几近相同,这说明利用有限元分析的结果与实际情况是相符合的。(2)利用有限元分析时,明确标示出构件受力最大的区域和受力的最大值与最小值点,这为优化结构指明了方向。(3)根据悬臂受力的最大区域与最大值点,对悬臂结构可以进行如下改善:一是对悬臂旋转座的应力较大区域焊接加强筋板;二是对悬臂与机身连接的销轴进行强化处理,或者将销轴用力学性能更好的材料来制作,以提高其承载能力。


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