基于LS-DYNA的某打樁錘機械沖擊系統性能仿真

＊王騰 張加翔 于文太 張欣 劉順慶 張曉馨 張長龍

（1.中國石油大學（華東）海洋物探及勘探開發裝備國家工程研究中心 山東 266580 2.青島科技大學機電工程學院 山東 266061 3.海洋石油工程股份有限公司安裝事業部 天津 300450 4.青島高測科技股份有限公司 山東 266114 5.中機鍛壓江蘇股份有限公司 江蘇 226600）

打樁錘是樁基礎施工中的重要設備之一，隨著樁基的直徑和深度的不斷增加，對打樁設備的要求越來越高[1-2]。打樁過程中，錘芯、砧座與樁端體承受周期性的沖擊載荷，應力和力學關系復雜，難以通過傳統計算方法進行分析，借助有限元方法模擬沖擊載荷下沖擊系統的動力學特性具有重要意義。

Zhou W等人[3]通過擺錘撞擊試驗，研究了樁在不同撞擊條件下的響應和破壞模式；Adegbulugbe O等人[4]提出了一種全尺寸樁沖擊性能實驗評估方法，模擬了樁的實際工作過程；Qin W等人[5]分析了大直徑開口鋼樁在沖擊荷載下的位移，并探討了樁錘單次沖擊在軟土中的偏微分方程，預測了拒錘情況和鋼樁的位移。綜上，已有文獻對沖擊載荷下打樁錘沖擊系統動力學的研究較少，因此本文基于沖擊載荷作用下的打樁錘沖擊系統有限元模型，研究不同沖擊能量下對砧座應力、樁端位移和沖擊力的影響，為打樁錘沖擊系統結構設計優化提供參考。

1.基于波動力學沖擊過程分析

圖1 沖擊系統等效模型

錘芯和砧座碰撞過程的本質是應力波產生和傳遞的過程，古典牛頓碰撞理論忽略了錘芯、砧座及鋼樁的形狀，應用波動理論分析打樁錘的工作過程能夠更加準確地描述各部件的受力狀態。在本研究的模型中，砧座被等效為一個具有彈性系數Kh的彈簧，如圖1所示。

根據牛頓第二定律和波動理論[6]，可得式（1）：

式中，F為錘芯與砧座的沖擊力；Kh為砧座剛度，N·m-1；mc為錘芯阻尼，N·(m·s-1)-1；mz為樁身阻尼，N·(m·s-1)-1；t=0時，v’=v0，v=0，F=0。

由式（1）可得式（2）：

經過拉普拉斯變換后可解得沖擊力的表達式（3）：

2.建立模型

本研究將采用Solidworks軟件構建的某打樁錘沖擊系統三維模型導入ANSYS軟件，并運用HyperMesh的高級網格劃分功能對該模型進行網格劃分，得到如圖2所示的有限元模型。錘桿、錘芯、砧座、鋼樁和土體材料及其屬性見表1和表2所示。由于沖擊系統結構和載荷作用的對稱特性，為提高仿真計算效率和精度，采用1/4模型進行求解。

表1 金屬材料性能參數

表2 土體模型性能參數

沖擊過程中，液壓系統差動連接（活塞上下端面同時連通高壓油），因此對活塞上下端面施加22MPa的壓力，如圖3所示。

圖2 沖擊系統有限元模型圖

圖3 活塞受力示意圖

為提高計算效率，本研究將錘芯與砧座的初始間隔定為10mm。在沖擊瞬間，錘芯的動能即為其沖擊能量，根據動能定理，該打樁錘的最大沖擊能量設定為600kJ，錘芯質量為33t。據此計算，錘芯在沖擊時的速度為6.03m/s。

3.仿真結果分析

圖4 砧座沖擊應力時程變化云圖

沖擊過程不同時刻砧座沖擊應力分布云圖如圖4所示，由圖可知，沖擊過程中砧座內的應力呈波動狀態，應力主要集中于上接觸面及其下部區2.0ms。

圖5 沖擊能量變化曲線圖

沖擊過程各部件的能量變化情況如圖5所示，由圖可知，錘芯初始能量為586.18kJ，鋼樁最大能量為538.45kJ，因此沖擊過程的能量傳遞效率為91.86%。

4.不同沖擊能量的響應分析

通過改變錘芯沖擊速度使錘芯具有不同的沖擊能量。錘芯沖擊速度分別為3m/s、4m/s、5m/s、6m/s，得到樁端位移、最大沖擊力以及砧座最大應力如表3所示。樁端位移隨時間、樁端位移隨沖擊速度、沖擊力隨時間、最大沖擊力隨沖擊速度、砧座應力隨時間、最大應力隨沖擊速度的變化曲線如圖6至圖11所示。

表3 不同沖擊能量下樁端位移、最大沖擊力和砧座最大應力

圖6 樁端位移隨時間變化曲線圖

圖7 樁端位移隨沖擊速度變化曲線圖

由圖6和圖7可知，樁端位移先增大后減小，最終穩定，穩定后的位移是鋼樁的實際貫入深度，沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，對應的貫入深度逐漸增加，表明貫入深度隨沖擊能量增加而增大。

由圖8和圖9可知，沖擊力隨著沖擊速度的增大而增大，沖擊力近似為一階躍信號，沖擊作用時間近似為5ms；沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，最大沖擊力隨沖擊速度增加呈線性變化。

圖8 沖擊力隨時間變化曲線圖

圖9 最大沖擊力隨沖擊速度變化曲線圖

由圖10和圖11可知，砧座應力隨著沖擊速度的增大而增大，且各個沖擊速度下的最大應力值均符合強度設計要求；沖擊速度由3m/s增大到6m/s時，砧座最大應力隨沖擊速度增加呈線性變化。

圖10 砧座應力隨時間變化曲線圖

圖11 砧座最大應力隨沖擊速度變化曲線圖

5.結束語

（1）根據沖擊能量在各部件中的傳遞情況，計算能量傳遞效率，得到沖擊過程中各部件的應力分布，沖擊力、應力以及鋼樁的時程變化曲線。

（2）砧座最大應力達到360.361MPa，主要分在上接觸面，且圓角處有應力集中現象；沖擊系統的能量傳遞效率為91.86%。

（3）貫入深度、沖擊力、沖擊應力隨著沖擊能量的增大而增大，最大沖擊力和最大沖擊應力與速度呈線性變化關系。