旋挖钻机桅杆的优化设计11

旋挖钻机桅杆的优化设计学院：机械工程学院姓名：高乾晟学号：G601010130指导教师：周丽一、旋挖钻机简介什么是旋挖钻机？旋挖钻机是一种建筑基础工程中成孔作业的施工机械。主要适于沙土、粘性土、粉质土等土层施工。在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用。一、旋挖钻机简介旋挖钻机的主要结构钻杆动力头钻头桅杆平行四边形变幅机构回转机构履带底盘卷扬一、旋挖钻机简介桅杆基本结构鹅头上桅杆中桅杆下桅杆二、桅杆的建模1、软件名称：ANSYS2、材料特性：材料：16Mn钢材料密度：7850kg/m3弹性模量：206GPa泊松比：0.3屈服强度：320MPa3、单元类型：solid924、确立各基本尺寸二、桅杆的建模名称代号数值此段桅杆高度H1950mm长度H2350mm宽度H3630mm箱体壁厚BH20mm支撑管半径R39mm支撑管厚度GH9mm斜支撑管的倾斜角度CR45o二、桅杆的建模生成截面图形所用命令：K二、桅杆的建模生成截面图形所用命令：ASBA二、桅杆的建模通过拉伸生成箱体所用命令：VEXT二、桅杆的建模生成各支撑管移动局部坐标系:WPAVE旋转局部坐标系:WPROTA生成管状实体：CYLIND二、桅杆的建模去掉支撑管多余部分生成切割面：A切割支撑管：VSBA删除多余部分：VDELE二、桅杆的建模二、桅杆的建模生成网格自由网格划分（MSHKEY,0）四面体单元（MSHAPE,1,3D）开始划分（VMESH,ALL）23105个单元，46811个节点,152个关键点三、静力学分析工况一：极限提钻钻头停止转动，桅杆受到最大压力200KN桅杆底部和桅杆与支撑油缸接触一侧被约束三、静力学分析施加参数载荷S=2x(A1-A2)其中A1=T1XT1+T2XH3A2=(T1-2XBH)XT1+(T2-2XBH)X(H3-2XBH)则S可求，又因F=200KNP=F/S也可求。命令流：F=200E3A1=T1*T1+T2*H3A2=(T1-2*BH)*T1+(T2-2*BH)*(H3-2*BH)P=F/(2*A1-2*A2)三、静力学分析施加约束与载荷约束侧面和底面DA,18,ALLDA,7,ALLNSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALL施加均布载荷PNSEL,S,LOC,Z,-H1SF,,PRES,P三、静力学分析结果显示节点应力分布图三、静力学分析结果显示节点位移分布图三、静力学分析结果显示节点应变分布图三、静力学分析工况二：钻进工况动力头转矩：220KN.m；加压油缸压力：160KN;桅杆底部和桅杆与支撑油缸相接触一侧被约束三、静力学分析施加参数载荷A3=T1XH1A4=(T1+T2)XH1假设两面上的力都作用在距离为L的线上L=H2+(T1+T2)/2+T2+T1/2F1=M/LP3=F1/A3P4=F1/A4三、静力学分析施加约束与载荷约束侧面和底面施加均布载荷SFA,5,1,PRES,P3SFA,22,1,PRES,P4NSEL,S,LOC,Z,-H1SF,,PRES,P（由于是参数建模，只需将之前定义的压力F=200E3，改为F=160E3，于是P也就改变了大小）三、静力学分析结果显示节点应力分布图三、静力学分析结果显示节点位移分布图三、静力学分析结果显示节点应变分布图四、桅杆的优化以体积最小为目标函数的优化分析在后处理模块中定义最大等效应力和总体积定义最大等效应力：NSORT,S,EQV*GET,SMAX,SORT,,MAX定义总体积：ETABLE,EVOL,VOLUSSUM*GET,VTOT,SSUM,,ITEM,EVOL四、桅杆的优化进入优化处理器定义设计变量的变化范围OPVAR,变量，DV,min,max定义状态变量的范围SV定义目标函数OBJ设置优化前的控制选项执行优化OPEXE名称代号原始尺寸变化范围壁厚BH0.02m0.016~0.022m管厚GH0.009m0.008~0.012m桅杆高度H10.95m0.9~1.1m桅杆宽度H2350mm300~400mm桅杆长度H3630mm550~700mm管半径R38mm30~40mm斜支撑管倾斜角度CR45o40o~50o四、桅杆的优化优化结果分析优化前后应力分布对比四、桅杆的优化优化结果分析优化前后节点位移分布对比四、桅杆的优化优化结果分析桅杆壁厚减少了19.94%、管的厚度增加了19.72%、支撑管倾斜角度增加了0.14%、高度减少了4.95%、宽度减少了2.43%、长度减少了12.63%、最大应力增加了34.19%、总体积减少了29.54%。参数体积最小原始参数BH0.16012E-01m0.02mGH0.10775E-01m0.009mR0.30079E-01m0.038mCR49.0620450H10.90298m0.95mH20.34149m0.35mH30.55045m0.63mSMAX0.17713E+09Pa0.132E+09PaVTOT0.46030E-01m30.653280E-01m3四、桅杆的优化以等效应力最小为目标函数的优化分析在后处理模块中定义最大等效应力和总体积定义设计变量、状态变量和目标函数体积不大于0.065328立方米设置优化前的控制选项执行优化分析四、桅杆的优化优化结果分析优化前后应力分布对比四、桅杆的优化优化结果分析优化前后节点位移分布对比四、桅杆的优化优化结果分析桅杆壁厚增加了4.77%管的厚度减少了10.83%支撑管半径减少了10.20%支撑管倾斜角度增加8.95%高度增加了0.33%宽度增加了10.69%长度减少了5.44%最大应力减少了6.72%总体积减少了0.64%参数体积最小原始参数BH0.20954E-01m0.02mGH0.80255E-02m0.009mR0.34125E-01m0.038mCR49.0290450H10.95309m0.95mH20.38743m0.35mH30.59570m0.63mSMAX0.12313E+09Pa0.132E+09PaVTOT0.64912E-01m30.653280E-01m3五、结论本文采用流行的工程分析软件ANSYS软件，在合理简化的前提下利用ANSYS实体建模功能直接建立了桅杆的局部实体有限元模型，并通过有限元静力强度分析，获得了桅杆节点应力、节点位移分布情况，并对其结构进行了优化。谢谢各位老师！