YZY400靜力壓樁機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)－大身結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力、強(qiáng)度分析

1、1 緒論1.1液壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展概況 縱觀液壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展過(guò)程，大致可將其分為兩個(gè)階段：第一階段，從20世紀(jì)70年代后期到90年代中期，國(guó)內(nèi)先后研制了幾種壓樁機(jī)，并逐步形成系列產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。其中具有代表性的兩個(gè)系列產(chǎn)品是武漢市建筑工程機(jī)械廠生產(chǎn)的yzy系列液壓靜力壓樁機(jī)和利用中南大學(xué)(原中南工業(yè)大學(xué))智能機(jī)械研究所的專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)的zyj系列液壓靜力壓樁機(jī)。在這個(gè)階段主要解決了這種樁機(jī)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)、動(dòng)力配置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，滿(mǎn)足了靜壓樁的基本功能。但就整體來(lái)說(shuō)，其主要特征是樁機(jī)壓樁力不大，實(shí)際使用的最大壓樁力不足4000kn，絕大部分的壓樁力為1 6002400kn；功能單一，主要應(yīng)用于施

2、工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的截面尺寸為(300 mm x 300 mm)(400mm x 400mm)的鋼筋混凝土方樁(實(shí)心件)的正常中位壓樁，單樁設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值在1400kn以下。而預(yù)應(yīng)力管樁和高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁主要是通過(guò)錘擊設(shè)備如柴油錘等進(jìn)行打入施工。進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期以后，液壓靜力壓樁機(jī)進(jìn)入第二發(fā)展階段。由于1994年底在珠海利用液壓靜力壓樁機(jī)將直徑500 mm的預(yù)應(yīng)力管樁壓入強(qiáng)風(fēng)化巖獲得成功，實(shí)現(xiàn)了靜壓樁施工技術(shù)的歷史性突破，從此拓寬了靜壓樁的應(yīng)用范圍，也使預(yù)應(yīng)力管樁在城市和居民住宅區(qū)內(nèi)的應(yīng)用找到了一條新路子。一方面，實(shí)現(xiàn)了靜壓樁的單樁承載力向大噸位方向的快速發(fā)展，與此同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)大噸位樁機(jī)的需

3、求不斷增大，而且要求越來(lái)越強(qiáng)烈；另一方面，由于施工范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)樁機(jī)功能的要求也日益增多，出現(xiàn)了工程施工中許多必須解決的實(shí)際問(wèn)題。這個(gè)階段的樁機(jī)品種顯著增加，系列化不斷完善，生產(chǎn)廠家也急劇增多，至今在全國(guó)約有30個(gè)制造廠。其中湖南山河智能機(jī)械股份有限公司的生產(chǎn)能力最大，2003年共生產(chǎn)125臺(tái)，占全國(guó)年總產(chǎn)量的30%40%。目前的生產(chǎn)能力達(dá)到每月15臺(tái)，年生產(chǎn)能力在180臺(tái)左右，已形成壓樁力為80010000kn的完整的產(chǎn)品系列，生產(chǎn)的最大噸位機(jī)型為zyjl000。1.2液壓靜力壓樁機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)隨著靜壓樁施工技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng)，液壓靜力壓樁機(jī)的應(yīng)用將獲得更廣泛的推廣。同

4、時(shí)，液壓靜力壓樁機(jī)技術(shù)及產(chǎn)品將由粗放型向功能精細(xì)化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)可歸納如下： 1.進(jìn)一步多功能化，產(chǎn)品適應(yīng)能力進(jìn)一步加強(qiáng)。在較厚硬隔層地質(zhì)條件下施工時(shí)，設(shè)計(jì)并配置專(zhuān)用的螺旋鉆，提高壓樁機(jī)的穿透能力和對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)能力；對(duì)大噸位樁機(jī)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的夯實(shí)裝置，實(shí)現(xiàn)以靜壓替代強(qiáng)夯壓樁管徑可從目前的最大600mm增大到800mm以上。 2.智能化操作與施工的壓樁機(jī)開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)機(jī)身液壓自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，壓樁過(guò)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄及承載力在線測(cè)試，夾持力自動(dòng)均衡控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化操作。 3.異型樁夾持裝置的刀發(fā)。特別是與鋼板樁、工字鋼樁、錐形樁等相適應(yīng)的夾樁機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。 4.壓樁力大、質(zhì)量輕機(jī)型產(chǎn)品的

5、開(kāi)發(fā)。特別是對(duì)于鋼板樁連續(xù)墻施工產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)將是今后靜力壓樁機(jī)發(fā)月的新領(lǐng)域。 5.適應(yīng)于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 6.產(chǎn)品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。1.3靜壓樁機(jī)概述隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制生產(chǎn)靜壓樁機(jī)。采用靜壓樁機(jī)將樁逐段壓入土層中具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)。 1.在施工中無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)污染，在城市居住密集區(qū)施工有明顯的優(yōu)越性o2.油于樁是通過(guò)靜力壓入土層，樁沒(méi)有受到錘擊樁時(shí)所引起的拉伸應(yīng)力波的沖擊，因此樁內(nèi)的鋼筋配置和混凝土的強(qiáng)度均可比柴油錘錘擊樁要小，這樣可節(jié)約樁的工程成本。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，與打擊樁相比，靜壓樁可節(jié)約鋼材47，水泥12。3.采用柴油錘

6、打樁，樁周邊土壤有一定程度的“液化”，因此，樁要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間“休息”后，才具有真實(shí)的承載力，靜壓樁在施工中不會(huì)對(duì)樁周邊土壤產(chǎn)生較大的干擾，所壓入樁的最終壓力基本上體現(xiàn)了樁的實(shí)際承載力，因此施工完成后根據(jù)壓人過(guò)程的壓力曲線可迅速計(jì)算出樁的實(shí)際承載力。 4.基本上無(wú)斷樁。5.可以直接用靜壓校機(jī)對(duì)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。雖然靜壓樁有上述優(yōu)點(diǎn)，但由于靜壓樁機(jī)要配有較多的配重，整個(gè)機(jī)器的拼裝、運(yùn)輸及工作效率仍然比打擊樁低，所以目前仍不如柴油錘打擊樁與鉆孔樁普及。但隨著城市的發(fā)展，對(duì)噪聲及泥漿污染進(jìn)行越來(lái)越嚴(yán)格的限制，靜壓樁機(jī)必將越來(lái)越受到市場(chǎng)的重視。1.4 yzy系列靜壓樁機(jī)的構(gòu)造與工作原理yzy400型靜壓樁

7、機(jī)的構(gòu)造: 它由支腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、壓樁架、配重、起重機(jī)、操作室等部分組成。 1支腿平臺(tái)結(jié)構(gòu) 該部分內(nèi)底盤(pán)、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤(pán)的作用是支承導(dǎo)向壓樁架、夾持機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)裝置和起重機(jī)，底盤(pán)里面安裝了液壓油箱和操作室，組成了壓樁機(jī)的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊，支腿由球鉸裝配在底盤(pán)上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相聯(lián)。整個(gè)樁機(jī)通過(guò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)連成一體，直接承受壓樁時(shí)的反力。底盤(pán)上的支腿在拖運(yùn)時(shí)可以并攏在乎臺(tái)邊，工作時(shí)打開(kāi)并通過(guò)連桿與平臺(tái)形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。2長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu) 為長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu)，它內(nèi)船體，行走臺(tái)車(chē)與頂升液壓缸等組成。液壓缸

8、活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過(guò)銷(xiāo)鉸與行走臺(tái)車(chē)相聯(lián)，行走臺(tái)車(chē)與底盤(pán)支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時(shí)，頂升液壓缸頂升使長(zhǎng)船落地，短船離地，接著長(zhǎng)船液壓缸伸縮推動(dòng)行走臺(tái)車(chē)，使樁機(jī)沿著長(zhǎng)船軌道前后移動(dòng)。頂升液壓缸回程使長(zhǎng)船離地，短船落地。短船液壓缸動(dòng)作時(shí)，長(zhǎng)船船體懸掛在樁機(jī)上移動(dòng)，重復(fù)上述動(dòng)作，樁機(jī)即可縱向行走。3. 短船行走機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機(jī)構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成?；剞D(zhuǎn)梁兩端與底盤(pán)結(jié)構(gòu)鉸接，中間由回轉(zhuǎn)軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪，正好落在船體的軌道上，用焊接在船體上的掛輪機(jī)構(gòu)1掛在行走梁上，使整個(gè)船體組成體。液壓缸的一端與船體鉸接另一端與行走梁鉸

9、接。工作時(shí)，頂升液壓缸動(dòng)作，使長(zhǎng)船落地，短船離地然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動(dòng)。頂升液壓缸回程，長(zhǎng)船離地，短船落 地，短船液壓缸伸縮使樁機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)梁與行走梁推動(dòng)行走輪在船體的軌道上左右移動(dòng)。上述動(dòng)作反復(fù)交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)樁機(jī)的橫向行走。樁機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作是：長(zhǎng)船接觸地面，短船離地、兩個(gè)短船液壓缸各伸長(zhǎng)1/2行程，然后短船接觸地面，長(zhǎng)船離地，此時(shí)讓兩個(gè)短船液壓缸一個(gè)伸出個(gè)收縮，于是樁機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動(dòng)。油缸行程走滿(mǎn)，樁機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)15度左右，隨后頂升液壓缸讓長(zhǎng)船落地，短船離地，兩個(gè)短船液壓缸又恢復(fù)到1/2行程處，并將行走梁恢復(fù)到回轉(zhuǎn)梁平行位置。重復(fù)上述動(dòng)作，可使整機(jī)回

10、轉(zhuǎn)到任意角度。4夾持機(jī)構(gòu)與導(dǎo)向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導(dǎo)向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面，壓樁液壓缸與導(dǎo)向壓樁架相聯(lián)。壓樁時(shí)先將樁吊入夾持器橫梁內(nèi)，夾持液壓缸通過(guò)夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運(yùn)動(dòng)，使夾持機(jī)構(gòu)在導(dǎo)向架內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿(mǎn)后松開(kāi)夾持液壓缸，返回后繼續(xù)上述程序。1.5大身結(jié)構(gòu)總述大身是整臺(tái)液壓靜力壓樁機(jī)的重要組成部分，一方面它承受著整個(gè)壓樁機(jī)除行走（或支撐）部分的全部重量，并使樁機(jī)的起重機(jī)、壓樁結(jié)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)的工作。另外，它連接了樁機(jī)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)，使本來(lái)不能移動(dòng)的上部結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)下部結(jié)構(gòu)行走、移位。因此，大身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

11、將直接影響整個(gè)樁機(jī)的操作性能、工作性能。1.6大身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則(1) 滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求眾所周知，大身是整臺(tái)樁機(jī)重要組成部分，樁機(jī)的上部結(jié)構(gòu)包括駕駛室、立柱、起重機(jī)、配重等都作用在大身上。而且，這些重量巨大，因?yàn)閴簶稒C(jī)的自重決定了最大的壓樁能力。所以在大身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其強(qiáng)度。另外，如果大身結(jié)構(gòu)剛度不夠，在打樁時(shí)大身就會(huì)產(chǎn)生較大的變形。這必然會(huì)影響打樁的精度，如使樁機(jī)無(wú)法對(duì)準(zhǔn)樁位或者使樁在壓入時(shí)造成傾斜而造成作業(yè)無(wú)效。(2) 大身結(jié)構(gòu)與相關(guān)的部件在尺寸上的協(xié)調(diào)與大身相連的結(jié)構(gòu)有立柱、大船（橫向）、小船（縱向）及駕駛室、支腿、支柱和油箱、泵、電機(jī)構(gòu)件。大身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要使這些部

12、件能合理布置。(3) 方便操作 大家知道,整臺(tái)液壓靜力壓樁機(jī)的有效部件都是布置在大身上的。在大身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮各部件操作時(shí)連續(xù)性與合理性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮樁機(jī)操作性能。(4) 方便維修（可維修行）在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮萬(wàn)一所設(shè)計(jì)的部件出現(xiàn)故障或者相關(guān)部件出現(xiàn)故障后可維修性。如果所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具有可維修性，而因結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)小故障而葬送整個(gè)結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是不合理的。(5) 經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)在是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，效益是生存之本。怎樣獲取高的效益，當(dāng)然是在滿(mǎn)足要求的情況下獲得最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。.7 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要工作（1）了解分析全液壓靜力壓樁機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理；（2）運(yùn)用c

13、ad畫(huà)出全液壓靜力壓樁機(jī)大身結(jié)構(gòu)主要零部件的圖紙；（3） 根據(jù)大身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用大型有限元分析軟件ansys，建立大身結(jié)構(gòu)有限元分析模型，求解它在工作狀態(tài)下的應(yīng)力情況以進(jìn)行必要的強(qiáng)度分析； （4） 如果分析所得最大應(yīng)力超過(guò)了材料的許用應(yīng)力，則對(duì)設(shè)計(jì)方案提出改進(jìn)意見(jiàn)。2 有限元理論概述 有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法,是解決工程實(shí)際問(wèn)題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具,最初這種方法被用來(lái)研究復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力它是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)；后來(lái)由于這一方法的靈活、快速和有效性，使其迅速發(fā)展成為求解各領(lǐng)域的數(shù)理方程的一種通用的近似計(jì)算方法目前，它在許

14、多學(xué)科領(lǐng)域和實(shí)際工程問(wèn)題中都得到廣泛的應(yīng)用，因此，在工科院校和工業(yè)界受到普遍的重視。 在求解工程技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，建立基本方程和邊界條件還是比較容易的，但是由于其幾何形狀、材料特性和外部荷載的不規(guī)則性，求得解析解卻是很困難的。因此，尋求近似解法就成了必由之路經(jīng)過(guò)多年的探索，近似算法有許多種，但常用的數(shù)值分析方法就是差分法和有限元法。 差分法計(jì)算模型可給出其基本方程的逐點(diǎn)近似值(差分網(wǎng)格上的點(diǎn))。但對(duì)于不規(guī)則的幾何形狀和不規(guī)則的特殊邊界條件差分法就難于應(yīng)用了。 有限元法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)處互相連接的子域(單元)所構(gòu)成，其模型給出基本方程的分片(子域)近似解。由于單元(子域)可以被

15、分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使其已成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣的數(shù)值計(jì)算方法。在實(shí)際研究中我們常常把復(fù)雜系統(tǒng)分解成性態(tài)容易了解的單個(gè)元件或“單元”，研究其性態(tài)，再將這些元件重建原來(lái)的系統(tǒng)以得到整體性態(tài)。這是工程技術(shù)人員和科學(xué)家經(jīng)常采用的分析問(wèn)題的方法。有限元的基本思想，可以從兩個(gè)不同的角度去理解，但其實(shí)質(zhì)卻是一樣的。一種是樸素的，實(shí)質(zhì)上是工程的推想：把一個(gè)連續(xù)的彈性體（或是結(jié)構(gòu)）簡(jiǎn)化為由若干個(gè)離散的元素組合而成的等效組合體。而整個(gè)結(jié)構(gòu)又是由有限個(gè)數(shù)目的元素組合而成的，當(dāng)然也可以用有限個(gè)參數(shù)來(lái)

16、加以描述。所以它的基本方程式將是一個(gè)代數(shù)方程組，在數(shù)學(xué)上屬于離散體系。即用代數(shù)方程組來(lái)取代描述真實(shí)彈性體的微分方程組，在求解時(shí)當(dāng)然極為有利。另一方面，從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，有限元是求解數(shù)學(xué)物理方程的一種數(shù)值方法。在有限元中，測(cè)試函數(shù)要“分片地”選取。這就是說(shuō)：首先把整個(gè)域劃分成若干“子域”，然后分別在子域上選取測(cè)試函數(shù)，并要求這些測(cè)試函數(shù)在各個(gè)子域內(nèi)部，在子域之間地分界面上（稱(chēng)為內(nèi)部邊界）以及子域與邊界地分界面上（稱(chēng)為外部邊界）有均滿(mǎn)足一定的條件（譬如位移協(xié)調(diào)或應(yīng)力平衡）2.1 有限元基本理論2.1.1 有限元理論的基本思想 (1) 假想把連續(xù)系統(tǒng)(包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質(zhì))分割成數(shù)目有限的單元

17、，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(diǎn)(稱(chēng)為節(jié)點(diǎn))處相互連接，構(gòu)成一個(gè)單元集合體來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效載荷(或邊界條件)，代替實(shí)際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。 (2) 對(duì)每個(gè)單元由分塊近似的思想，按一定的規(guī)則(由力學(xué)關(guān)系或選擇一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù))建寸求解未知量與節(jié)點(diǎn)相互作用(力)之間的關(guān)系(力位移、熱量 溫良、電壓電流等)。(3) 把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件(變形協(xié)調(diào)條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理)集合起來(lái)，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量(位移、溫度、電壓等)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量。所以有限元法實(shí)質(zhì)上是把具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理

18、想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。2.1.2 有限元理論的特點(diǎn) 有限元方法應(yīng)用于大量問(wèn)題，既包括結(jié)構(gòu)問(wèn)題，也包括非結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這種方法有很多優(yōu)缺點(diǎn)，因而變得很普遍。這些優(yōu)缺點(diǎn)包括：（1）可以很容易地模擬不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)。（2）可以毫無(wú)困難地處理一般的載荷條件。(3)因?yàn)閱卧匠淌菃蝹€(gè)地建立的，因此可以模擬由幾種不同材料構(gòu)成的物體。(4)可以處理數(shù)量不受限制的和各種類(lèi)型的邊界條件。(5)單元的尺寸大小可以變化，必要時(shí)可使用小單元。(6)改變有限元模型比較容易，花費(fèi)不大。(7)可包括動(dòng)態(tài)作用。(8)可處理大變形和非線性材料帶來(lái)的非線性問(wèn)題。結(jié)構(gòu)有限元分析使設(shè)

19、計(jì)者能在設(shè)計(jì)過(guò)程種探知應(yīng)力，振動(dòng)和熱應(yīng)力問(wèn)題，能夠在構(gòu)造樣板之前對(duì)設(shè)計(jì)更換做出估計(jì)。因此，對(duì)樣本可以接受的信心就增強(qiáng)了。此外，如果用得適當(dāng)，有限元方法還可以減少必須建造的樣板的數(shù)量。雖然有限元方法開(kāi)始時(shí)是用于結(jié)構(gòu)分析的，它已被修改可適用于工程和數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域的其他學(xué)科，如流體流動(dòng)，熱傳導(dǎo)，電磁電位，土力學(xué)和聲學(xué) (9) 概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起對(duì)該方法的理解。從使用的觀點(diǎn)來(lái)講，每個(gè)人的理論基礎(chǔ)不同，理解的深度也可以不同，既可以通過(guò)直觀的物理意義來(lái)學(xué)習(xí)，也可以從嚴(yán)格的力學(xué)概念和數(shù)學(xué)概念推導(dǎo) (10) 適應(yīng)件強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛。有限元法可以用來(lái)求解工程中許多復(fù)雜的問(wèn)題，特別是采用其

20、他數(shù)值計(jì)算方法(如有限差分法)求解困難的問(wèn)題、如復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀問(wèn)題，復(fù)雜邊界條件問(wèn)題，非均質(zhì)、非線性材料問(wèn)題，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題等。目前，有限元法在理論上和應(yīng)用上還在不斷發(fā)展。今后將更加完善和使用范圍更加廣泛。 (11)有限無(wú)法采用矩哭雜陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序可以充分利用高速數(shù)字計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。由于有限元法計(jì)算過(guò)程的規(guī)范化，目前在國(guó)內(nèi)外有許多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有sap系列，adinaansys，aska，nastran，mark，abaqus等。(12)有限元法的主要缺點(diǎn)是解決工程問(wèn)題必須首先編制(或具有)計(jì)算機(jī)程序，必須運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解；另外，有限元計(jì)算前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、計(jì)算結(jié)果

21、的數(shù)據(jù)整理工作量相當(dāng)大。然而，在計(jì)算機(jī)日益普及的今天，使用計(jì)算機(jī)已不再困難。對(duì)于后一缺點(diǎn)可通過(guò)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析的前、后處理來(lái)部分或全部地解決。2.1.3 有限元的前后處理 一般來(lái)講，有限元法的分析過(guò)程包括以下幾步：(1) 計(jì)算模型的幾何部分，數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)淮備；(2) 計(jì)算分析；(3) 計(jì)算結(jié)果的分析、整理和圖形顯示。有限元發(fā)展初期，第(1)步和第(3)步工作都是由人工來(lái)做的，既耗費(fèi)時(shí)間又容易出錯(cuò)。有統(tǒng)計(jì)資料表明，由手工剖分有限元計(jì)算模型，其工作量占到整個(gè)有限元分析過(guò)程工作量的45%。用人工分析有限元計(jì)算結(jié)果則要占整個(gè)工作量的50，而計(jì)算分析由于是計(jì)算機(jī)完成，工作量只占全部工作量的5。以

22、第(1)步工作為例首先要將所分析的模型按一定的比例放大或縮小地畫(huà)在坐標(biāo)紙上，其次按所選定的單元形式對(duì)它進(jìn)行剖分，按一定的順廳編單元號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)。然后，準(zhǔn)備各種數(shù)據(jù)以供有限元分析之用。這些數(shù)據(jù)主要有： 節(jié)點(diǎn)信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)和節(jié)點(diǎn)的二維或三維坐標(biāo)； 單元信息包括單元編號(hào)及單元中節(jié)點(diǎn)號(hào)的排列順序； 材料信息包括計(jì)算模型的材料性質(zhì)(彈性模量、泊松比、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等)； 載荷信息包括計(jì)算模型所受負(fù)載信息(集中力、體積力、表面力、溫度、壓力等)； 約束信息包括計(jì)算模型的初始條件和邊界條件。最后還必須將所有這些數(shù)據(jù)一一輸入計(jì)算機(jī)。有限元分析的前處理就是使計(jì)算模型的集合部分、數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)輸入這部分工作部分或

23、完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。而有限元分析的后處理則是將有限元計(jì)算結(jié)果由計(jì)算機(jī)整理成易于閱讀或分析的數(shù)值或圖形形式。2. 1. 3. 1有限元分析的前處理技術(shù) 有限元法的前處理主要有下列內(nèi)容：(1)計(jì)算模型的幾何表示；(2)模型網(wǎng)格的自動(dòng)剖分；(3)剛度矩陣的帶寬優(yōu)化；(4)模型網(wǎng)格圖的計(jì)算機(jī)繪制。2. 1. 3. 2 有限元分析的后處理技術(shù)有限元的計(jì)算結(jié)果是大量的數(shù)值數(shù)據(jù)從打印的數(shù)值結(jié)果中很難直接分析計(jì)算結(jié)果是否正確，是否合理，甚至看不出是否得到了預(yù)期的結(jié)果。例如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果是節(jié)點(diǎn)位移值和應(yīng)力值，位移值表示結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)力值可分析結(jié)構(gòu)的安全性。但從成干上萬(wàn)的位移數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)中是看不出結(jié)

24、構(gòu)的變形情況和應(yīng)力分布情況的。因此，必須對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行再分析、再處理。2.2 ansys軟件簡(jiǎn)介有限單元法是利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析的方法，目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，有限元計(jì)算結(jié)果己成為各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。國(guó)際上著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的如sap、ansys、adina、nastran、algorfem等。本論文中所用的是ansys軟件，在此只對(duì)ansys軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。ansys軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ansys用戶(hù)涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物

25、醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域，ansys是這些領(lǐng)域進(jìn)行國(guó)際國(guó)內(nèi)分析設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺(tái)。自1970年美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授john swanson博士開(kāi)發(fā)出ansys以來(lái)，在30多年的發(fā)展過(guò)程中，ansys不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強(qiáng)。2.2.1 ansys主要技術(shù)特點(diǎn)ansys作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ansys使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2） 強(qiáng)大的建模能力。ansys具備三維建模能力、僅靠ansys的gui(圖形界面)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。（3）強(qiáng)大的求

26、解功能。ansys提供了數(shù)種求解器，用戶(hù)可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。（4）強(qiáng)大的非線性分析功能。ansys具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。（5）智能網(wǎng)格劃分。ansys具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。（6）良好的優(yōu)化功能。利用ansys的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，用戶(hù)可以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；利用ansys的拓?fù)鋬?yōu)化功能，用戶(hù)可以對(duì)模型進(jìn)行外型優(yōu)化尋求物體對(duì)材料的最佳利用。（7） 可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耙合功能。ansys可以實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合分析，研究各物理場(chǎng)間的相互影響。（8）提供與其他程序接口。ansys提供了與多數(shù)cad軟件及有限元分析軟件的接口

27、程序，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換、如ppro/engineer、nastran、algor-fem、ideas、autocad、solidworks、parasolid等。（9）良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境。ansys開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)使用戶(hù)可以利用apdl、uidl和upfs對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。2.2.2 ansys主要功能1結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)在荷載作用下的靜、動(dòng)力行為，研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定。2熱力學(xué)分析熱力學(xué)分析用于分析系統(tǒng)或部件的溫度分布，以及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱流密度等。3流體分析流體分析用于確定流體的流動(dòng)及熱行為。4ansys電磁場(chǎng)分析 電磁場(chǎng)分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密

28、度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流能耗及磁通量泄漏等。5耦合場(chǎng)分析 耦合場(chǎng)分析考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。當(dāng)兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響時(shí)，單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)得不到正確結(jié)果，因此需要將兩個(gè)物理場(chǎng)組合到一起來(lái)分析求解。ansys中可以實(shí)現(xiàn)的耦合場(chǎng)分析包括；熱一結(jié)構(gòu)、磁熱、磁一結(jié)構(gòu)、流體一熱、流體一結(jié)構(gòu)、熱一電、電一磁熱流體一結(jié)構(gòu)等。本論文中僅僅用到結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中的靜力分析和模態(tài)分析。其中靜力分析是用于分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性。例如：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。模態(tài)分析是計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形。 2.2.3 ansys一般分析步驟ansys典

29、型的分析過(guò)程由前處理、求解計(jì)算和后處理三個(gè)部分組成。1前處理 定義工作文件名 設(shè)置分析模塊。定義單元類(lèi)型和選項(xiàng)。定義實(shí)常數(shù)。定義材料特性。建立分析幾何模型。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。施加荷載及約束。2求解計(jì)算選擇求解類(lèi)型。進(jìn)行求解選項(xiàng)設(shè)定。3后處理從求解計(jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示?？蓪?duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表顯示。進(jìn)行各種后續(xù)分析。 全液壓靜力壓樁機(jī)大身的建模與分析.1 yzy系列靜壓樁機(jī)的構(gòu)造與工作原理yzy400型靜壓樁機(jī)的構(gòu)造: 它由支腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、壓樁架、配重、起重機(jī)、操作室等部分組成。 1支腿平臺(tái)結(jié)構(gòu) 該部分內(nèi)底盤(pán)、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤(pán)的作用是支承導(dǎo)向壓

30、樁架、夾持機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)裝置和起重機(jī)，底盤(pán)里面安裝了液壓油箱和操作室，組成了壓樁機(jī)的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊，支腿由球鉸裝配在底盤(pán)上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相聯(lián)。整個(gè)樁機(jī)通過(guò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)連成一體，直接承受壓樁時(shí)的反力。底盤(pán)上的支腿在拖運(yùn)時(shí)可以并攏在乎臺(tái)邊，工作時(shí)打開(kāi)并通過(guò)連桿與平臺(tái)形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。2長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu) 為長(zhǎng)船行走機(jī)構(gòu)，它內(nèi)船體，行走臺(tái)車(chē)與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過(guò)銷(xiāo)鉸與行走臺(tái)車(chē)相聯(lián)，行走臺(tái)車(chē)與底盤(pán)支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時(shí)，頂升液壓缸頂升使長(zhǎng)船落地，短船離地，接著長(zhǎng)船液壓缸伸縮推動(dòng)行走臺(tái)車(chē)

31、，使樁機(jī)沿著長(zhǎng)船軌道前后移動(dòng)。頂升液壓缸回程使長(zhǎng)船離地，短船落地。短船液壓缸動(dòng)作時(shí)，長(zhǎng)船船體懸掛在樁機(jī)上移動(dòng)，重復(fù)上述動(dòng)作，樁機(jī)即可縱向行走。3. 短船行走機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機(jī)構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成?；剞D(zhuǎn)梁兩端與底盤(pán)結(jié)構(gòu)鉸接，中間由回轉(zhuǎn)軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪，正好落在船體的軌道上，用焊接在船體上的掛輪機(jī)構(gòu)1掛在行走梁上，使整個(gè)船體組成體。液壓缸的一端與船體鉸接另一端與行走梁鉸接。工作時(shí)，頂升液壓缸動(dòng)作，使長(zhǎng)船落地，短船離地然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動(dòng)。頂升液壓缸回程，長(zhǎng)船離地，短船落 地，短船液壓缸伸縮使樁機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)梁與行走

32、梁推動(dòng)行走輪在船體的軌道上左右移動(dòng)。上述動(dòng)作反復(fù)交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)樁機(jī)的橫向行走。樁機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作是：長(zhǎng)船接觸地面，短船離地、兩個(gè)短船液壓缸各伸長(zhǎng)1/2行程，然后短船接觸地面，長(zhǎng)船離地，此時(shí)讓兩個(gè)短船液壓缸一個(gè)伸出個(gè)收縮，于是樁機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動(dòng)。油缸行程走滿(mǎn)，樁機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)15度左右，隨后頂升液壓缸讓長(zhǎng)船落地，短船離地，兩個(gè)短船液壓缸又恢復(fù)到1/2行程處，并將行走梁恢復(fù)到回轉(zhuǎn)梁平行位置。重復(fù)上述動(dòng)作，可使整機(jī)回轉(zhuǎn)到任意角度。4夾持機(jī)構(gòu)與導(dǎo)向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導(dǎo)向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面，壓樁液壓缸與導(dǎo)向壓樁架相聯(lián)。壓樁時(shí)先將

33、樁吊入夾持器橫梁內(nèi)，夾持液壓缸通過(guò)夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運(yùn)動(dòng)，使夾持機(jī)構(gòu)在導(dǎo)向架內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿(mǎn)后松開(kāi)夾持液壓缸，返回后繼續(xù)上述程序。3.2 載荷分析3.2.1 約束部分（1）四個(gè)支腿全約束; （2）油缸結(jié)合面3.2.2 載荷部分 大身上表面4000000n(均布)3.3 有限元模型建立材料參數(shù)參數(shù)名數(shù)值單位楊氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.3ansys提供了多種單元節(jié)點(diǎn)生成的方法，這里我們采用ansys網(wǎng)格內(nèi)部自動(dòng)劃分功能,得到337,125個(gè)節(jié)點(diǎn),283,271個(gè)單元。生成的有限元模型如下：把所有的約束與載荷加在此模型上得

34、到下面的圖：3.4全液壓靜力壓樁機(jī)的強(qiáng)度分析其所受的變形圖如下：應(yīng)力分布圖如下：底面應(yīng)力分布如下：應(yīng)力分布及其變形圖如下： 支腿應(yīng)力分布如下：壓樁孔應(yīng)力分布如下：最大應(yīng)力發(fā)生處：最大應(yīng)力出現(xiàn)在支腿與大身連接處,為33.561mpa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，該設(shè)計(jì)是成功的。綜上所述，對(duì)大身進(jìn)行了有限元方法的計(jì)算、分析；結(jié)果表明，設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿(mǎn)足材料性能，并且真實(shí)反映大身的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，為大身的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。4結(jié)論本文對(duì)yzy400靜力壓樁機(jī)大身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了限元應(yīng)力、強(qiáng)度分析，主要成果有以下幾個(gè)方面：(1) 通過(guò)對(duì)的塔式起重機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)了解，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立了大身力學(xué)模型。本文的研究為大身的應(yīng)力和強(qiáng)度分析奠

35、定了基礎(chǔ)。(2) 根據(jù)所建立的全液壓靜力壓樁機(jī)大身結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，利用大型的cad/cam/cae軟件ansys，對(duì)大身進(jìn)行了應(yīng)力和強(qiáng)度分析，結(jié)果符合實(shí)際情況。5總結(jié)與展望 本文的撰寫(xiě)過(guò)程需要用到全新的軟件pro/engineer和ansys，也需要用到?jīng)]有學(xué)過(guò)的有限元知識(shí)，所以本論文有一定的難度，但在我的努力和老師的幫助下順利完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。 本論文是在設(shè)計(jì)已完成的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力和強(qiáng)度分析，預(yù)測(cè)其在實(shí)際工程中是否實(shí)用，最后所得結(jié)果是比較令人滿(mǎn)意的。但由于本人初學(xué)有限元理論，對(duì)有限元基本理論的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對(duì)ansys的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。本文所建三維模型基本都是嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸所建

36、，在進(jìn)行分析時(shí)適當(dāng)?shù)貏h減了某些對(duì)結(jié)果無(wú)影響的部分，這大大節(jié)省了計(jì)算的時(shí)間。由于時(shí)間關(guān)系，本文的加載數(shù)據(jù)也是參照已有的理論數(shù)據(jù)值，自己沒(méi)有計(jì)算，如果自己計(jì)算，相信論文一定會(huì)更加豐滿(mǎn)。如果計(jì)算所得結(jié)果超出了材料的許用應(yīng)力，那么則應(yīng)該對(duì)模型進(jìn)一步進(jìn)行修改，這充分地體現(xiàn)了本次分析所帶來(lái)的意義，不必像以前那樣等樣品出來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后才知道所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品合不合格。本文的研究為靜力壓樁機(jī)的設(shè)計(jì)、制造提供了理論依據(jù)。本文的工作還可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究，比如對(duì)靜力壓樁機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，靜力壓樁機(jī)系統(tǒng)性能仿真等等。由于時(shí)間倉(cāng)促，并且這是我們第一次接觸有限元知識(shí)，其中難免有錯(cuò)誤和疏漏之處，懇請(qǐng)各位老師提出寶貴意見(jiàn)。致謝：本文從選題到論文撰寫(xiě)、完稿過(guò)程中，王東方老師始終給與悉心指導(dǎo)，并對(duì)本文的初稿進(jìn)行了認(rèn)真的批閱與修改，提出了許多寶貴的建議和意見(jiàn)，特別是在ansys的學(xué)習(xí)中，王老師付出了很