旋挖鉆機工作裝置有限元分析

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

旋挖鉆機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,旋挖鉆機工作裝置是旋挖鉆機的主要工作部件,其結(jié)構(gòu)強度直接影響到旋挖鉆機作業(yè)的可靠性及安全性.工作裝置中的桅桿作為力學結(jié)構(gòu)中的細長桿件,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算,獲得工作裝置的應力分布和變形情況,模態(tài)及桅桿的臨界屈曲載荷,為旋挖鉆機工作裝置的設(shè)計和改進提供參考依據(jù).

1 建立工作裝置幾何模型

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

旋挖鉆機工作裝置有限元分析+培訓資料圖片1

2 建立有限元模型

旋挖鉆機工作裝置的組成部件較多,結(jié)構(gòu)復雜。為使計算準確,高效又能真實地反映出實際結(jié)構(gòu)的特性,我們采用以下建模方法。對于厚寬比小于1/5的薄板采用shell單元來模擬,對于厚板采用計算精度較高的六面體solid單元劃分,因為鉆桿、油缸和繩索不是研究的重點,在這里我們進行適當簡化模擬,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)動幅及鉆桿支架的移動幅,根據(jù)實際結(jié)構(gòu)各處的轉(zhuǎn)動幅"釋放耦合自由度的轉(zhuǎn)動自由度.

分別建立吊錨架,上桅桿體,中桅桿體,下桅桿體,主卷揚體,輔卷揚體,動臂的有限元模型,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132094個,單元134053個.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.

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3 計算工況分類

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

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4 計算結(jié)果分析

利用NASTRAN求解器對車架的有限元模型進行求解,求得工作裝置的應力和位移圖,見圖4~圖11(增大了變形顯示比例)工作裝在6種工況中的應力分布各有不同,但應力水平比較接近,工況1工作裝置的最大應力出現(xiàn)在吊錨架根部側(cè)邊,其應力值達到321MPa,接近Q345的許用應力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工作裝置的最大應力出現(xiàn)在動臂上,其應力值達到133MPa,低于Q345的許用應力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力值普遍在130MPa以下,其中中桅桿的應力值較低,普遍在80MPa以下,是比較安全的.

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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時,各節(jié)點位移振幅相對關(guān)系,也可以說相對振幅.對于一個有限元模型來說,有多少個節(jié)點自由度,就有多少個模態(tài),在實際工程中,當計入激振頻率值范圍內(nèi)的固有頻率對應的主振型,然后用模態(tài)疊加法計算出結(jié)構(gòu)對激振力響應,一般已能得到較好的近似解.

另外,還應指出的是,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,也不會發(fā)生共振.

經(jīng)計算分析,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),所以不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象.

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6 桅桿屈曲分析

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

屈曲分析的第一個子工況為求解下列線性方程組的線性靜力分析.

一個真實的結(jié)構(gòu)有無限多個自由度.有限元模型用有限個自由度模擬結(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.因為結(jié)構(gòu)在達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" 施加旋挖鉆機最大壓力載荷P*和約束條件,組成有限元計算模型,見圖15.進行求解計算,計算結(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.桅桿在旋挖鉆機最大壓力載荷不會失穩(wěn),表現(xiàn)出了良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.