旋挖钻机桅杆的优化设计11

1、旋挖钻机桅杆的优化设计学院：机械工程学院学院：机械工程学院姓名：高乾晟姓名：高乾晟学号：学号：G601010130G601010130指导教师：周丽指导教师：周丽一、旋挖钻机简介 什么是旋挖钻机？ 旋挖钻机是一种建筑基础工程中成孔作业的施工机械。主要适于沙土、粘性土、粉质土等土层施工。在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用。一、旋挖钻机简介 旋挖钻机的主要结构钻杆动力头钻头桅杆平行四边形变幅机构回转机构履带底盘卷扬一、旋挖钻机简介 桅杆基本结构鹅头上桅杆中桅杆下桅杆二、桅杆的建模 1、软件名称：ANSYS 2、材料特性： 材料：16Mn钢 材料密度：7850kg/m3 弹性

2、模量：206GPa 泊松比：0.3 屈服强度：320MPa 3、单元类型：solid92 4、确立各基本尺寸二、桅杆的建模名称代号数值此段桅杆高度H1950mm长度H2350mm宽度H3630mm箱体壁厚BH20mm支撑管半径R39mm支撑管厚度GH9mm斜支撑管的倾斜角度CR45o二、桅杆的建模 生成截面图形 所用命令：K二、桅杆的建模 生成截面图形 所用命令：ASBA二、桅杆的建模 通过拉伸生成箱体 所用命令：VEXT二、桅杆的建模 生成各支撑管 移动局部坐标系:WPAVE 旋转局部坐标系:WPROTA 生成管状实体：CYLIND 二、桅杆的建模 去掉支撑管多余部分 生成切割面：A 切割支

3、撑管：VSBA 删除多余部分：VDELE 二、桅杆的建模二、桅杆的建模 生成网格 自由网格划分 （MSHKEY,0 ） 四面体单元（MSHAPE,1,3D ） 开始划分（VMESH,ALL ） 23105个单元，46811个节点,152个关键点 三、静力学分析 工况一：极限提钻工况一：极限提钻 钻头停止转动，桅杆受到最大压力200KN 桅杆底部和桅杆与支撑油缸接触一侧被约束三、静力学分析 施加参数载荷S=2x(A1-A2) 其中A1=T1XT1+T2XH3A2=(T1-2XBH)XT1+(T2-2XBH)X (H3-2XBH) 则S可求，又因F=200KN P=F/S 也可求。命令流：F=20

4、0E3A1=T1*T1+T2*H3A2=(T1-2*BH)*T1+(T2-2*BH)*(H3-2*BH)P=F/(2*A1-2*A2)三、静力学分析 施加约束与载荷约束侧面和底面 DA,18,ALL DA,7,ALL NSEL,S,LOC,Z,0 D,ALL,ALL施加均布载荷P NSEL,S,LOC,Z,-H1 SF,PRES,P 三、静力学分析 结果显示 节点应力分布图三、静力学分析 结果显示 节点位移分布图三、静力学分析 结果显示 节点应变分布图三、静力学分析 工况二：钻进工况工况二：钻进工况 动力头转矩：220KN.m； 加压油缸压力：160KN; 桅杆底部和桅杆与支撑油缸相接触一侧被

5、约束三、静力学分析 施加参数载荷A3=T1XH1A4=(T1+T2)XH1假设两面上的力都作用在距离为L的线上L=H2+(T1+T2)/2+T2+T1/2F1=M/LP3=F1/A3P4=F1/A4三、静力学分析 施加约束与载荷约束侧面和底面施加均布载荷 SFA,5,1,PRES,P3 SFA,22,1,PRES,P4 NSEL,S,LOC,Z,-H1 SF,PRES,P （由于是参数建模，只需将之前定义的压力F=200E3，改为F=160E3，于是P也就改变了大小）三、静力学分析 结果显示 节点应力分布图三、静力学分析 结果显示 节点位移分布图三、静力学分析 结果显示 节点应变分布图四、桅杆

6、的优化 以体积最小为目标函数的优化分析以体积最小为目标函数的优化分析 在后处理模块中定义最大等效应力和总体积 定义最大等效应力：NSORT,S,EQV *GET,SMAX,SORT,MAX 定义总体积：ETABLE,EVOL,VOLU SSUM *GET,VTOT,SSUM,ITEM,EVOL 四、桅杆的优化 进入优化处理器 定义设计变量的变化范围 OPVAR,变量，DV,min,max 定义状态变量的范围 SV 定义目标函数 OBJ 设置优化前的控制选项 执行优化 OPEXE名称名称代号代号原始尺寸原始尺寸变化范围变化范围壁厚壁厚BH0.02m0.0160.022m管厚管厚GH0.009m0

7、.0080.012m桅杆高度桅杆高度H10.95m0.91.1m桅杆宽度桅杆宽度H2350mm300400mm桅杆长度桅杆长度H3630mm550700mm管半径管半径R38mm3040mm斜支撑管倾斜支撑管倾斜角度斜角度CR45o40o50o四、桅杆的优化 优化结果分析优化前后应力分布对比四、桅杆的优化 优化结果分析优化前后节点位移分布对比四、桅杆的优化 优化结果分析 桅杆壁厚减少了19.94%、 管的厚度增加了19.72%、 支撑管倾斜角度增加了0.14%、 高度减少了4.95%、 宽度减少了2.43%、 长度减少了12.63%、 最大应力增加了34.19%、 总体积减少了29.54%。参

8、数参数体积最小体积最小原始参数原始参数BH0.16012E-01m0.02mGH0.10775E-01m0.009mR 0.30079E-01m0.038mCR49.0620450H10.90298m0.95mH20.34149m0.35mH30.55045m0.63mSMAX0.17713E+09Pa0.132E+09PaVTOT0.46030E-01m30.653280E-01m3四、桅杆的优化 以等效应力最小为目标函数的优化分析以等效应力最小为目标函数的优化分析 在后处理模块中定义最大等效应力和总体积 定义设计变量、状态变量和目标函数 体积不大于0.065328立方米 设置优化前的控制选

9、项 执行优化分析 四、桅杆的优化 优化结果分析 优化前后应力分布对比四、桅杆的优化 优化结果分析优化前后节点位移分布对比四、桅杆的优化 优化结果分析桅杆壁厚增加了4.77%管的厚度减少了10.83%支撑管半径减少了10.20%支撑管倾斜角度增加8.95%高度增加了0.33%宽度增加了10.69%长度减少了5.44%最大应力减少了6.72%总体积减少了0.64%参数参数体积最小体积最小原始参数原始参数BH0.20954E-01m0.02mGH0.80255E-02m0.009mR0.34125E-01m0.038mCR49.0290450H10.95309m0.95mH20.38743m0.35mH30.59570m0.63mSMAX0.12313E+09Pa0.132E+09PaVTOT