雙輪銑絞盤支架的有限元分析和優化

賀 雷 孫 余 倪 坤 王淑婧

（1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，徐州 221004；2.徐州徐工基礎工程機械有限公司，徐州 221004）

雙輪銑槽機（以下簡稱雙輪銑）作為專用的地下連續墻施工設備，具有成槽施工效率高、孔型規則、墻體垂直度高以及安全環保等特點，廣泛應用于地鐵站、高建基坑、大橋錨碇以及深排隧道等大型基礎工程。

絞盤是雙輪銑的核心構件之一，主要由絞盤支架、回轉支承、卷筒以及減速機等組成。因此，以某型號雙輪銑的絞盤支架為研究對象，通過有限元分析和拓撲優化，對絞盤支架結構進行優化，使其在滿足力學性能的前提下，減輕重量，節約原材料。

1 絞盤支架的工況分析

卷筒通過回轉支承懸臂安裝在絞盤支架上，因此絞盤支架受到卷筒和軟管的自重產生傾覆力。尤其在轉場運輸時，它上纏繞的軟管長度最長，此時傾覆力最大。在雙輪銑施工時，卷筒釋放軟管隨銑刀架同步下放。絞盤支架在受到傾覆力的同時，還受到釋放的懸吊軟管的重力和銑刀架對軟管的預緊拉力作用。因此，文章先在轉場運輸和施工兩個工況下對絞盤支架進行有限元分析。

圖1 轉場運輸工況應力云圖

2 各工況下絞盤支架受力分析

在轉場運輸工況下，卷筒及軟管自重約14.4t（考慮軟管中充滿油液）。在施工工況，考慮施工到最大深度，此時傾覆力最小（約30kN），懸吊的軟管重力最大，軟管受到的總拉力約140kN（為增大安全系數，不考慮泥漿浮力）。在轉場運輸和施工時，絞盤支架會受到各種沖擊的影響，故計算載荷需乘以動載系數。參照《起重機設計規范》并結合實際經驗，此處動載系數取2。

在Pro/E中繪制絞盤支架三維模型，并導入ANSYS中進行網格劃分，分別利用上述載荷加載計算，則兩個工況下絞盤支架的應力云圖如圖1和圖2所示。

圖2 施工工況應力云圖

通過分析計算結果發現，最大應力發生在轉場運輸工況，最大應力為116.2MPa，且絞盤支架絕大部分區域的應力均較小，因此有必要對絞盤支架進行拓撲優化以改善其材料使用率。

3 絞盤支架拓撲優化

在ANSYS Workbench中調用Shape Optimization。由于最大應力發生在轉場運輸工況，因此只在該工況進行拓撲優化。設計的優化目標為總重量的30%，拓撲優化的結果如圖3所示，顏色較深的區域是軟件建議可以做減重處理的區域。綜合考慮生產的方便性和要為其他附屬件提供安裝位置，在Pro/E中修改模型并在ANSYS中加載計算，結果如圖4所示。

圖3 拓撲優化結果圖

圖4 優化后絞盤支架應力云圖

拓撲優化前后的分析結果對比如表1所示。雖然經過優化后的絞盤支架的最大應力較優化前有了一定的增加，但遠小于Q345低合金結構鋼的屈服極限，仍然在安全范圍內，且絞盤支架質量比原來減少了251kg。

表1 優化結果對比

4 結語

通過使用ANSYS Workbench軟件對絞盤支架進行靜力分析可知，原絞盤支架結構設計滿足強度要求，但同時也有較大的優化空間。通過ANSYS的Shape Optimization模塊對絞盤支架進行拓撲優化，得到了更合理的結構，避免了材料浪費（減重251kg）。目前，優化后的絞盤支架結構已成功在雙輪銑上應用，具有良好的指導意義。