旋挖钻机工作装置有限元分析

2013-06-16  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

旋挖钻机适用于各类城市交通建设,铁路公路桥梁建设,高层建筑等桩基基础工程施工,旋挖钻机工作装置是旋挖钻机的主要工作部件,其结构强度直接影响到旋挖钻机作业的可靠性及安全性.工作装置中的桅杆作为力学结构中的细长杆件,其结构稳定性显得十分重要.本文通过有限元分析计算,获得工作装置的应力分布和变形情况,模态及桅杆的临界屈曲载荷,为旋挖钻机工作装置的设计和改进提供参考依据.

1 建立工作装置几何模型

将UG建立的工作装置实体模型,导入NX MASTERFEM前处理器提取其中面,因为实体模型不重视几何体之间的连接性,因此需要对提取的中面进行缝补使其几何相联,同时在模型中保留需要用一维有限元单元来模拟的部分实体,如钻杆、绳索等,处理好的几何模型见图1。

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2 建立有限元模型

旋挖钻机工作装置的组成部件较多,结构复杂。为使计算准确,高效又能真实地反映出实际结构的特性,我们采用以下建模方法。对于厚宽比小于1/5的薄板采用shell单元来模拟,对于厚板采用计算精度较高的六面体solid单元划分,因为钻杆、油缸和绳索不是研究的重点,在这里我们进行适当简化模拟,钻杆和油缸采用Beam单元来模拟,绳索、销轴和螺栓采用Rbar单元来模拟,用耦合自由度(coupled DOF)来模拟工作装置相联的销轴处转动幅及钻杆支架的移动幅,根据实际结构各处的转动幅"释放耦合自由度的转动自由度.
   
分别建立吊锚架,上桅杆体,中桅杆体,下桅杆体,主卷扬体,辅卷扬体,动臂的有限元模型,然后用有限元模型装配方法,将他们装配成整体有限元模型.本模型共有结点132094个,单元134053个.有限元模型及局部放大图见图2,图3.

材料特性:材料为Q345:弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3.

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3 计算工况分类

采用模拟实际工作环境的方法,确定如表1所示几种典型工况进行计算分析:

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4 计算结果分析

利用NASTRAN求解器对车架的有限元模型进行求解,求得工作装置的应力和位移图,见图4~图11(增大了变形显示比例)工作装在6种工况中的应力分布各有不同,但应力水平比较接近,工况1工作装置的最大应力出现在吊锚架根部侧边,其应力值达到321MPa,接近Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.103m.工况2工作装置的最大应力出现在动臂上,其应力值达到133MPa,低于Q345的许用应力345MPa.工作装置的最大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.0689m.其余各工况各部件的应力值普遍在130MPa以下,其中中桅杆的应力值较低,普遍在80MPa以下,是比较安全的.

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5 模态分析

模态也叫固有振型,结构按某一固有圆频率振动时,各节点位移振幅相对关系,也可以说相对振幅.对于一个有限元模型来说,有多少个节点自由度,就有多少个模态,在实际工程中,当计入激振频率值旋挖钻机工作装置有限元分析有限元分析培训课程图片8范围内的固有频率对应的主振型,然后用模态叠加法计算出结构对激振力响应,一般已能得到较好的近似解.

另外,还应指出的是,结构是否能产生共振,不仅与激振力的频率有关,而且与激振力的空间分布有关,如果某模态振型与激振力正交,那么即使这些主振型的固有频率接近激振力的频率,也不会发生共振.

经计算分析,取前3阶模态,其模态频率分别为1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具体振型见图12~图14(模态振型图),由于挖斗的最大转速为22r/min(0.37Hz),所以不会产生共振现象.

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6 桅杆屈曲分析

利用I-DEAS中的Linear Buckling分析模块进行桅杆屈曲分析.

屈曲分析的第一个子工况为求解下列线性方程组的线性静力分析.

一个真实的结构有无限多个自由度.有限元模型用有限个自由度模拟结构的性能.有限元模型能得到的屈曲载荷的数目等于模型的自由度数.也就是说旋挖钻机工作装置有限元分析有限元分析培训课程图片10我们最关心的是最小临界载荷.因为结构在达到任何更高的屈曲载荷之前已经破坏了.

建立桅杆屈曲分析有限元模型" 施加旋挖钻机最大压力载荷P*和约束条件,组成有限元计算模型,见图15.进行求解计算,计算结果如图16所示,得到临界屈曲载荷比例因子λi=5.18,故临界屈曲载荷旋挖钻机工作装置有限元分析有限元分析培训课程图片11.桅杆在旋挖钻机最大压力载荷不会失稳,表现出了良好的结构稳定性.

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7 结论

在计算的6种危险工况中,主卷扬最大提升时,吊锚架根部应力较大,容易造成局部塑性变形,可以在其根部增加加强筋,以提高强度.中桅杆部分区域在各工况中,应力都较低,可以适量减少中桅杆部分区域用料以降低成本.对改进后的模型再次进行了强度和屈曲分析验证了改进的可行性.


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