某型水下液壓打樁錘砧鐵裂紋分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)_趙永富

1、設(shè)計(jì)·計(jì)算Design and Calculation某型水下液壓打樁錘砧鐵裂紋分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)趙永富 1，許佳音 1，王克文 21. 天津工程機(jī)械研究院；2. 天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司摘 要以某型水下液壓打樁錘砧鐵為研究對(duì)象，分析、解決打樁作業(yè)過(guò)程中砧鐵開(kāi)洞處出現(xiàn)多處裂紋的問(wèn)題。使用 Pro/E 軟件對(duì)砧鐵及打樁錘進(jìn)行三維建模，運(yùn)用 ANSYS Workbench 軟件創(chuàng)建有限元模型，在最大作業(yè)工況下對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到砧鐵的應(yīng)力分析結(jié)果；利用 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)砧鐵開(kāi)洞處的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并據(jù)此得到合理的砧鐵模型。實(shí)際應(yīng)用證明，優(yōu)化后的砧鐵能夠滿(mǎn)足正常使用要

2、求。關(guān)鍵詞：液壓打樁錘；砧鐵；裂紋；優(yōu)化1 問(wèn)題描述液壓打樁錘一般采用大流量沖擊液壓缸進(jìn)行打樁作業(yè)，快速運(yùn)動(dòng)的活塞會(huì)在行程末端對(duì)砧鐵產(chǎn)生很大的沖擊力1，且沖擊頻率較高。砧鐵（見(jiàn)圖 1）為液壓打樁錘重要的零部件之一,是抗沖擊部件,其功能是：沖擊能通過(guò)砧鐵傳遞到預(yù)制鋼樁，把鋼樁貫入地層中。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)液壓打樁錘的仿真分析多集中在液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及打樁過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析，而關(guān)于砧鐵結(jié)構(gòu)優(yōu)化及裂紋控制方面的研究較少。本文以某型水下液壓打樁錘的砧鐵為研究對(duì)象，對(duì)砧鐵開(kāi)洞（孔洞作用是排水，減少水下打樁時(shí)的能量損失）處在打樁作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)多處裂紋（如圖 2 所示）的問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果DH圖

3、1砧鐵實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)砧鐵開(kāi)洞處的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。作者簡(jiǎn)介：趙永富（1978），男，河北遷安人，工程師，碩士，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞及優(yōu)化分析。44 2 0 15·6第 46 卷 第6 期總第 500 期度，兩個(gè)參數(shù)前的字母 P 表示已參數(shù)化。圖 3 中涉及的其裂紋裂紋他參數(shù)用于描述砧鐵幾何模型細(xì)節(jié)，保持默認(rèn)狀態(tài)即可。2.2 砧鐵有限元分析模型在 ANSYS Workbench 中建立砧鐵有限元分析模型（如圖 4 所示），模型分為錘、砧鐵及樁 3 部分（樁、錘均為成品，且為外單位采購(gòu)，三者之間為接觸連接）。利用裂紋SOLID186 實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃

4、分后模型共有 169 308 個(gè)節(jié)點(diǎn)，55 892 個(gè)單元。圖 2砧鐵開(kāi)洞處裂紋2 砧鐵受力分析2.1 砧鐵幾何模型及參數(shù)化處理在 Pro/E 中建立砧鐵幾何模型。為便于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于開(kāi)洞處的尺寸：圖 1 中 孔洞直徑 D 和洞口距砧鐵底面的高度 H（孔洞中心軸線距砧鐵底面的高度，孔洞無(wú)斜度，其軸線直于樁、錘軸線），需設(shè)置以“DS_”為前綴的參數(shù)名，以便于 Pro/E 與 ANSYS Workbench 軟件間的參數(shù)傳遞，在 ANSYS Workbench 的 Geometry 模塊中對(duì)砧鐵模型進(jìn)行參數(shù)化處理，參數(shù)化處理界面如圖 3 所示。圖 3 中標(biāo)出了兩個(gè)需要優(yōu)化的幾何尺寸，其中參數(shù)

5、DS_D 為砧鐵孔洞的直徑，參數(shù) DS_H 為孔洞距砧鐵底面的高圖 4有限元分析模型砧鐵材料為 30Cr2Ni2Mo，屈服強(qiáng)度為 835 MPa，抗拉強(qiáng)度為 980 MPa。施加載荷及約束：模擬實(shí)際情況，在樁底部表面施加固定約束（如圖 5 中 A 所示），在錘頂部表面施加該液壓圖 3 砧鐵尺寸參數(shù)化處理界面圖 5施加固定約束及載荷2 0 15·645設(shè)計(jì)·計(jì)算Design and Calculation打樁錘最大作業(yè)工況下的 44 000 kN 作業(yè)載荷（如圖 5 中 B 所示）。2.3 砧鐵靜強(qiáng)度分析根據(jù)以上有限元分析模型、約束條件及載荷，得到砧鐵的等效應(yīng)力分布如圖 6

6、所示。從圖 6 可以看出，砧鐵開(kāi)洞處的最大等效應(yīng)力為 861.78 MPa，已超出砧鐵材料的屈服強(qiáng)度（835 MPa），這一結(jié)果與使用過(guò)程中該處產(chǎn)生多處裂紋的實(shí)際情況相一致。圖 6 砧鐵應(yīng)力分布在 ANSYS Workbench 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中建立如圖 7 所示優(yōu)化設(shè)計(jì)流程：在有限元分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)變量的上下限得到若干可能的設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，獲得等效應(yīng)力與孔洞尺寸 3 個(gè)參數(shù)間的靈敏度關(guān)系，進(jìn)而獲得 3 組候選的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，最終選取最優(yōu)的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。圖 7 中 A 為結(jié)構(gòu)的幾何模型，B 為靜力分析，經(jīng)參數(shù)設(shè)置（Parameter Set）到 C 響應(yīng)面分析，最終經(jīng) G

7、DO 模塊（Goal Driven Optimization，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊）進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化分析（D）。3砧鐵開(kāi)洞處的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1 優(yōu)化分析流程本文的優(yōu)化目標(biāo)為在滿(mǎn)足一定約束條件下，選取適當(dāng)?shù)拈_(kāi)洞處幾何尺寸參數(shù)，使砧鐵的等效應(yīng)力最小，其數(shù)學(xué)模型為：!#min f（x）#"#x=R，tminRtmax#$g（x）0，u=1，2，3，mu式中：f（x）目標(biāo)函數(shù)；x設(shè)計(jì)變量；tmax設(shè)計(jì)變量的上限；tmin設(shè)計(jì)變量的下限；g（x）約束條件；uR設(shè)計(jì)變量（孔洞直徑、孔洞軸線距底面高度）的取值。圖 7優(yōu)化設(shè)計(jì)流程3.2 靈敏度分析ANSYS 中的靈敏度分析是利用 ANSYS Workbe

8、nch 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊提供的優(yōu)化方法中的梯度評(píng)估工具進(jìn)行的，由于軟件中的求導(dǎo)計(jì)算是用計(jì)算商差來(lái)代替的，因此求解靈敏度即是計(jì)算目標(biāo)函數(shù)相對(duì)設(shè)計(jì)變量在某一參考點(diǎn)處的梯度。通過(guò)靈敏度分析可以達(dá)到兩個(gè)目的：在眾多的設(shè)計(jì)變量中挑選出重要變量加以?xún)?yōu)化；預(yù)先掌握最有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化變量的變化趨勢(shì)，從而指導(dǎo)優(yōu)化過(guò)程2。通過(guò)靈敏度分析，得到如圖 8 所示等效應(yīng)力與孔洞直徑、孔洞軸線距底面高度的敏感度關(guān)系輸出結(jié)果。圖 8462 0 15·6第 46 卷 第6 期總第 500 期圖 8 敏感度關(guān)系輸出結(jié)果中，縱坐標(biāo)為敏感度，橫坐標(biāo)為等效應(yīng)力。從圖 8 可以看出：等效應(yīng)力受參數(shù) DS_H（孔洞距砧鐵底面的

9、高度）變化的影響較大，而對(duì)參數(shù) DS_D（孔洞直徑）的變化卻不是很敏感。分析認(rèn)為，孔洞位置下移，可以提高鉆鐵的整體剛度，更利于錘給予的打擊力的傳遞，并能夠降低砧鐵的整體等效應(yīng)力水平。3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)變量為參數(shù) DS_H 及 DS_D，其上、下限根據(jù)靈敏度分析結(jié)果和設(shè)計(jì)人員的意見(jiàn)（孔洞直徑、孔洞軸線距底面高度改變太多會(huì)對(duì)砧鐵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及排水性能產(chǎn)生過(guò)大影響）設(shè)置，在現(xiàn)有尺寸的±10%幅度內(nèi)變化。通過(guò) GDO 模塊，得到關(guān)于砧鐵孔洞尺寸的 3 組候選優(yōu)化設(shè)計(jì)選項(xiàng) A，B，C（如圖 9 所示）。圖 9 中列出了各種優(yōu)化設(shè)計(jì)選項(xiàng)下砧鐵的等效應(yīng)力情況。從圖 9 可以看出

10、，候選項(xiàng) A（Candidate A）為 3 顆星，為推薦組合（A 選項(xiàng)的應(yīng)力值最小為 727.17 MPa）。以 A 選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的孔洞尺寸為基礎(chǔ)，將孔洞直徑設(shè)為 40 mm，孔洞距砧鐵底部高度設(shè)為 100 mm，重新生成砧鐵模型，進(jìn)行靜力計(jì)算后得到的等效應(yīng)力云圖如圖 10 所示，這時(shí)最大等效應(yīng)力為 731.27 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)制造的砧鐵應(yīng)用于海工圖 9 推薦的優(yōu)化設(shè)計(jì)選項(xiàng)圖 10 優(yōu)化后砧鐵等效應(yīng)力云圖打樁用某型水下液壓打樁錘，作業(yè)過(guò)程中砧鐵孔洞處再未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。4 結(jié)論（1）通過(guò)仿真分析，認(rèn)為原砧鐵結(jié)構(gòu)孔洞處的等效應(yīng)力偏高，超出材料的屈服強(qiáng)度

11、，導(dǎo)致開(kāi)裂，這一結(jié)果與實(shí)際打樁作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的砧鐵孔洞處裂紋現(xiàn)象相一致。（2）通過(guò)本文分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了砧鐵孔洞（下轉(zhuǎn)第 52 頁(yè)）2 0 15·647液壓·液力Hydrostatics andHydrodynamics4 應(yīng)用效果在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于存在瞬時(shí)沖擊、延時(shí)以及設(shè)備精度等多種不確定因素，應(yīng)對(duì)加裝回轉(zhuǎn)馬達(dá)限流裝置的整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，并根據(jù)調(diào)試結(jié)果對(duì)部分邊界條件進(jìn)行修正。本文案例在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速判斷條件修正為 1 820 r/min，先導(dǎo)手柄壓力邊界條件修正為 0.7 MPa （結(jié)合主泵比例電磁閥的給定電流進(jìn)行調(diào)整）。經(jīng)以上調(diào)試、修正后，回轉(zhuǎn)馬達(dá)限速效

12、果良好，在各種單動(dòng)作及組合動(dòng)作作業(yè)條件下，回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量都被有效地控制在限值范圍內(nèi)，并且不會(huì)影響整機(jī)作業(yè)效率。該回轉(zhuǎn)馬達(dá)限流裝置已通過(guò)了液壓件廠家的各項(xiàng)測(cè)試，同意批量使用。對(duì)比成本可知，原解決方案所需各種壓力傳感器、進(jìn)口流量限制閥及管路等的總費(fèi)用在萬(wàn)元以上，而本文介紹的回轉(zhuǎn)馬達(dá)限流裝置不但使改裝難度大大降低，而且集成電磁減壓閥塊的成本僅數(shù)百元，加上其他壓力開(kāi)關(guān)和附件的總成本不到 3000 元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。雖然本文介紹的回轉(zhuǎn)馬達(dá)限流裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且對(duì)比其他改進(jìn)方案具備更高的可靠性，但由于該裝置的實(shí)際應(yīng)用仍較少，投放市場(chǎng)的時(shí)間也不長(zhǎng)，其可靠性還有待市場(chǎng)的進(jìn)一步驗(yàn)證。目前該裝置正在申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利。參

13、考文獻(xiàn)1 王春行.液壓控制系統(tǒng)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.2液壓挖掘機(jī)編委會(huì).液壓挖掘機(jī)M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.3 張珊珊.挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析與研究D.上海：同濟(jì)大學(xué)， 2005.4 雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)M.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.5 郭雄華，曹顯華.挖掘機(jī)負(fù)流量液壓系統(tǒng)的控制特性分析J.液壓與氣動(dòng)，2011（5）:55-57.6 高峰，潘雙夏.液壓挖掘機(jī)負(fù)流量負(fù)荷傳感控制策略J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005（7）:111-113.通信地址：江蘇省常州市新北區(qū)黃河西路 898 號(hào)國(guó)機(jī)重工（常州）挖掘機(jī)有限公司常州研究所（213136）（收稿日期：2015-

14、 02- 09）!（上接第 47 頁(yè)）處的裂紋問(wèn)題，并得到了砧鐵等效應(yīng)力與孔洞尺寸間的敏感度關(guān)系（孔洞距砧鐵底面的高度對(duì)砧鐵等效應(yīng)力影響較大，孔洞直徑對(duì)砧鐵等效應(yīng)力影響較?。?，可為今后類(lèi)似問(wèn)題的解決提供參考。因砧鐵孔洞的主要作用是注水，從實(shí)際應(yīng)用反饋的信息來(lái)看，改變孔洞位置（距底面高度）以及減小孔洞的直徑，對(duì)砧鐵孔洞的注水效果都沒(méi)有太大影響，但考慮到實(shí)際應(yīng)用情況，不能無(wú)限制地減小孔洞直徑。（3）由于目前項(xiàng)目組不具備獲取打樁錘運(yùn)動(dòng)載荷譜和材料 S-N（應(yīng)力壽命）曲線的相應(yīng)條件，加之進(jìn)行相應(yīng)疲勞試驗(yàn)的費(fèi)用比較高昂，所以項(xiàng)目組并未對(duì)砧鐵進(jìn)行疲勞分析，但是考慮裂紋的產(chǎn)生在一定程度上是由疲勞因素引起的，在條件具備的情況下應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的砧鐵疲勞分析。參考文獻(xiàn)1 胡均平，劉坤，郭勇，等.液壓打樁錘大流量緩沖裝置的建模與分析J.振動(dòng)與沖擊，2013（10）：7-11，21.2 姚瑤.基于靈敏度分析的串桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)J.工程