基于液壓打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化分析

黃爽

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)液壓打樁機(jī)的需要也與日俱增。文章基于液壓打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，以液壓打樁機(jī)為研究對(duì)象，利用三維有限元軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界約束，這樣有效了提高了有限元分析的精度。以有風(fēng)和滿載的工況下，對(duì)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，得到了打樁機(jī)整機(jī)及重要的應(yīng)力和位移分布云圖，優(yōu)化打樁機(jī)在不同工況下各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，以此驗(yàn)證打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為液壓打樁機(jī)的改良提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓打樁機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化分析；網(wǎng)格劃分

中圖分類號(hào)：TU67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0086-02

Abstract： With the rapid development of economy in our country， the need for hydraulic pile driver is increasing day by day. Based on the structural design and analysis of the hydraulic pile driver， this paper takes the hydraulic pile driver as the research object， makes use of the three-dimensional finite element software to carry on the mesh division and the boundary restraint， thus effectively enhances the finite element analysis accuracy. The strength and stability of the pile driver are numerically analyzed under the conditions of wind and full load. The stress and displacement distribution cloud pictures of the whole pile driver are obtained， and the stress distribution of each component of the pile driver under different working conditions is optimized， in order to verify the structural design of the pile driver and provide a certain reference for the improvement of the hydraulic pile driver.

Keywords： hydraulic pile driver； structural design； optimization analysis； grid division

引言

隨著城市的高速發(fā)展，在軌道交通、高層建筑、高速路橋、鐵路建設(shè)等領(lǐng)域都增加了對(duì)樁工機(jī)械的需求，其中，液壓打樁機(jī)也不例外，打樁機(jī)的廣泛使用加快了我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)[1-2]。液壓打樁機(jī)是以液壓錘為介質(zhì)進(jìn)行打樁，而液壓錘主要是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵為其提供動(dòng)力，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采用液壓油的方式來(lái)傳遞動(dòng)力，使得樁錘進(jìn)行打樁作業(yè)。

在樁工機(jī)械的發(fā)展和進(jìn)步過(guò)程中，液壓打樁錘的種類和功能也不斷在增加，其類型有單作用式、雙作用式、靜壓式和振動(dòng)式等液壓打樁錘，其主要根據(jù)不同的使用工況來(lái)選擇[3]。與此同時(shí)，也逐漸的取代了過(guò)去傳統(tǒng)的打樁形式，更好的滿足市場(chǎng)的需求。本文基于液壓打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合打樁機(jī)的發(fā)展歷史和對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓打樁機(jī)的需求進(jìn)行分析，對(duì)其工作時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，研究其穩(wěn)定性和可靠性。

1 液壓打樁機(jī)的有限元分析

在分析打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)程中，由于樁架在打樁作業(yè)時(shí)，承載著打樁設(shè)備和預(yù)制樁，以及導(dǎo)向、變幅的作用，因而本文主要以樁架為研究對(duì)象。打樁機(jī)的樁架結(jié)構(gòu)由板材的焊接、螺栓的相互連接等構(gòu)成，其樁架結(jié)構(gòu)也是打樁機(jī)的重要組成部分，起著該機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)的大部分負(fù)載。由于每一臺(tái)打樁機(jī)的成本比較昂貴，基本上都在幾十萬(wàn)元以上，往往是由于機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、施工方操作沒(méi)按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，這些都會(huì)使得機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)大小不一的故障，甚至發(fā)生重大安全事故和人身安全，因此，為了液壓打樁機(jī)的樁架具有較好的結(jié)構(gòu)和安全性能，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，建立打樁機(jī)的三維模型，并將其模型導(dǎo)入到有限元軟件進(jìn)行處理和分析，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析之前，需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，就需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理：第一，對(duì)于模型中的缺損、重疊和錯(cuò)位的幾何面，需要忽略對(duì)這些邊線的劃分，并刪除重合的面、線以及線上所包含的多余的點(diǎn)；第二，對(duì)于模型中的細(xì)小結(jié)構(gòu)，需要合理的劃分，如果網(wǎng)格劃分過(guò)小，直接增加了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量和時(shí)間，劃分出來(lái)的單元比較小；如果劃分過(guò)大，這無(wú)法體現(xiàn)出模型的細(xì)小結(jié)構(gòu)的特征。因此，在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的前提下，對(duì)這些幾何特征進(jìn)行相應(yīng)的刪除處理是非常必要；第三，忽略相關(guān)的螺紋連接件，比如：螺釘、螺母等，簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分的難度。

為了建立合理而正確的有限元模型，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，一般都要考慮如下幾點(diǎn)因素：第一，網(wǎng)格疏密程度。為了適應(yīng)結(jié)構(gòu)不同位置處應(yīng)力分布不同的特點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的不同部位應(yīng)該采用大小不同的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在應(yīng)力變化相對(duì)較大的部位需要?jiǎng)澐值母鼮槊芗拍苷鎸?shí)的反應(yīng)應(yīng)力的分布情況，在應(yīng)力變化比較小的區(qū)域，采用一般的單元進(jìn)行劃分即可；第二，網(wǎng)格劃分的數(shù)量。在理想情況下，三維模型的網(wǎng)格數(shù)量越多，就能越反應(yīng)真實(shí)的受力狀態(tài)，這樣得到的計(jì)算結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)，但三維模型的網(wǎng)格數(shù)量的增多，會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，增加了其運(yùn)算時(shí)間，因此，應(yīng)結(jié)合三維模型的實(shí)際情況和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算大小，選用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量。第三，網(wǎng)格劃分單元的階次。網(wǎng)格單元可以分為線性、二次等形式，當(dāng)然越是高階次的單元就能更加接近模型的實(shí)際受力狀態(tài)，但同樣也需要面臨計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，高階次的形式，其求解的時(shí)間也要增加很多，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)選取不同的單元階次，以此反應(yīng)更為真實(shí)的實(shí)際情況。第四，網(wǎng)格的質(zhì)量。網(wǎng)格單元的質(zhì)量，在網(wǎng)格劃分中是比較重要的一環(huán)，其求解結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到有限元分析的精度，如果網(wǎng)格質(zhì)量太差，就會(huì)導(dǎo)致分析的結(jié)果與實(shí)際模型的受力狀態(tài)相差很遠(yuǎn)，因此，選取合適的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行分析。

對(duì)整個(gè)打樁機(jī)的重要構(gòu)建的網(wǎng)格劃分如下：第一部分，立柱單節(jié)總成。立柱由各個(gè)立柱單節(jié)依靠螺栓連接而成，并與回轉(zhuǎn)平臺(tái)、斜支撐等結(jié)構(gòu)相連。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，爬梯對(duì)分析的影響很小，在幾何處理過(guò)程中作刪除處理，不進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在立柱單節(jié)圓筒與法蘭連接處等地方，采用了一定數(shù)量的三角形單元進(jìn)行過(guò)度。對(duì)于相同的單節(jié)立柱，進(jìn)行單元的復(fù)制和鏡像等處理，節(jié)省網(wǎng)格劃分的時(shí)間。第二部分，回轉(zhuǎn)平臺(tái)總成。回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由薄壁鋼材焊接而成，包括回轉(zhuǎn)前平臺(tái)、回轉(zhuǎn)后平臺(tái)、法蘭、回轉(zhuǎn)支承凸臺(tái)、斜支撐梁和回轉(zhuǎn)減速機(jī)架等部分。回轉(zhuǎn)平臺(tái)在總體上是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格時(shí)先劃分對(duì)稱的一半，鏡像后得到整體模型，在前后回轉(zhuǎn)平臺(tái)法蘭連接處、法蘭本身結(jié)構(gòu)等位置采用了較少的三角形單元進(jìn)行過(guò)度。其立柱和回轉(zhuǎn)平臺(tái)的網(wǎng)格模型如圖1所示。

經(jīng)過(guò)分析，打樁機(jī)經(jīng)過(guò)有限元模型可以得到，打樁機(jī)的網(wǎng)格劃分模型，在其過(guò)程也需要嚴(yán)格的保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，以此完成打樁機(jī)整機(jī)的網(wǎng)格劃分。

2 打樁機(jī)樁架有限元分析

在實(shí)際運(yùn)行中，其打樁機(jī)的工況相對(duì)復(fù)雜，非常有必要對(duì)打樁機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證分析。通過(guò)對(duì)打樁機(jī)的模擬施加載荷和對(duì)邊界條件進(jìn)行約束，最后通過(guò)有限元分析，以此得到結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

本文以有風(fēng)荷和滿載的條件下分析其強(qiáng)度，如果滿足此工況條件，那必然也滿足其他的工況。用三維軟件模擬打樁機(jī)樁架在有風(fēng)荷作用下進(jìn)行打樁工作的狀態(tài)，以施加載荷和風(fēng)速25m/s的條件進(jìn)行模擬分析，并考慮模型的自重，得到打樁機(jī)的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。

通過(guò)分析，其最大應(yīng)力和應(yīng)變都符合材料的屈服強(qiáng)度，液壓打樁架的應(yīng)力和應(yīng)變的最大值都處于該結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)力的范圍內(nèi)，可以判斷其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所選材料符合液壓打樁機(jī)的性能要求，故，在有風(fēng)和滿載的情況下，液壓打樁機(jī)的設(shè)計(jì)符合要求。

雖然應(yīng)力和應(yīng)變符合要求，依然可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)化，提高其性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)施加外界激勵(lì)頻率，以此分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和安全性，盡早地察覺(jué)設(shè)計(jì)的缺陷，及時(shí)對(duì)缺陷進(jìn)行修改，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短研發(fā)周期。通過(guò)對(duì)整機(jī)的回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)下的模態(tài)進(jìn)行求解，計(jì)算得到的前四階的模態(tài)振型。

通過(guò)液壓打樁機(jī)的模態(tài)分析，分析得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：回轉(zhuǎn)平臺(tái)前四階非剛體模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，應(yīng)用模態(tài)分析方法對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，具體原則如下：

（1）結(jié)構(gòu)的低階固有頻率值應(yīng)高于外界激勵(lì)頻率，包

括回轉(zhuǎn)支承齒輪嚙合頻率、路面激勵(lì)頻率以及其他動(dòng)力產(chǎn)生的振動(dòng)頻率等，以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

（2）結(jié)構(gòu)振型應(yīng)盡量光滑，避免有突變。

（3）由于打樁機(jī)由各個(gè)部件組成，風(fēng)振和重載對(duì)整機(jī)的作用會(huì)對(duì)各組成部分產(chǎn)生一定影響，需要考慮風(fēng)振及樁錘工作時(shí)振動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)高于風(fēng)振頻率。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析液壓打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，分析了傳統(tǒng)打樁機(jī)的不足和缺陷，不斷的優(yōu)化和發(fā)展，使得液壓打樁機(jī)更加具有穩(wěn)定性。本文利用有限元軟件對(duì)其整機(jī)進(jìn)行有限元分析和模態(tài)分析，得到應(yīng)力分析云圖和應(yīng)變?cè)茍D以及模態(tài)結(jié)果，驗(yàn)證該機(jī)型是否符合設(shè)計(jì)的要求，這樣有效的提高了打樁機(jī)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為液壓打樁機(jī)的發(fā)展提供一定的參考文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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