搜索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,鐵路公路橋梁建設,高層建筑等樁基基礎工程施工,旋挖鉆機工作裝置是旋挖鉆機的主要工作部件,其結構強度直接影響到旋挖鉆機作業的可靠性及安全性.工作裝置中的桅桿作為力學結構中的細長桿件,其結構穩定性顯得十分重要.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,模態及桅桿的臨界屈曲載荷,為旋挖鉆機工作裝置的設計和改進提供參考依據.
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,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。
2 建立有限元模型
旋挖鉆機工作裝置的組成部件較多,結構復雜。為使計算準確,高效又能真實地反映出實際結構的特性,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的銷軸處轉動幅及鉆桿支架的移動幅,根據實際結構各處的轉動幅"釋放耦合自由度的轉動自由度.
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.
3 計算工況分類
采用模擬實際工作環境的方法,確定如表1所示幾種典型工況進行計算分析:
4 計算結果分析
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在吊錨架根部側邊,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.
5 模態分析
模態也叫固有振型,結構按某一固有圓頻率振動時,各節點位移振幅相對關系,也可以說相對振幅.對于一個有限元模型來說,有多少個節點自由度,就有多少個模態,在實際工程中,當計入激振頻率值
范圍內的固有頻率對應的主振型,然后用模態疊加法計算出結構對激振力響應,一般已能得到較好的近似解.
另外,還應指出的是,結構是否能產生共振,不僅與激振力的頻率有關,而且與激振力的空間分布有關,如果某模態振型與激振力正交,那么即使這些主振型的固有頻率接近激振力的頻率,也不會發生共振.
經計算分析,取前3階模態,其模態頻率分別為1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具體振型見圖12~圖14(模態振型圖),由于挖斗的最大轉速為22r/min(0.37Hz),所以不會產生共振現象.
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.
一個真實的結構有無限多個自由度.有限元模型用有限個自由度模擬結構的性能.有限元模型能得到的屈曲載荷的數目等于模型的自由度數.也就是說
我們最關心的是最小臨界載荷.因為結構在達到任何更高的屈曲載荷之前已經破壞了.
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,表現出了良好的結構穩定性.
7 結論
在計算的6種危險工況中,主卷揚最大提升時,吊錨架根部應力較大,容易造成局部塑性變形,可以在其根部增加加強筋,以提高強度.中桅桿部分區域在各工況中,應力都較低,可以適量減少中桅桿部分區域用料以降低成本.對改進后的模型再次進行了強度和屈曲分析驗證了改進的可行性.
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