（岩土工程专业论文）沉管灌注桩水平承载特性试验分析及计算方法研究.pdf

， 分类号 u d c 密级 学位论文 3 - t p s 混联机床运动仿真与控制算法研究 作者姓名： 指导教师： ， 申请学位级别： 学科专业名称： 论文提交日期： 学位授予日期： 评阅人 ： 刘冰 谢里阳教授 东北大学机械工程与自动化学院 硕士学科类别：工学 机械设计及理论 2 0 0 8 年6 月论文答辩日期：2 0 0 8 年7 月 2 0 0 8 年7 月答辩委员会主席：孔祥伟 隋天中、赵秀荣 东北大学 2 0 0 8 年6 月 、 、 龟 i，l、 at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y r e s e a r c hk i n e m a t i cs i m u l a t i o nandesearco na t i c 1 c o n t r o l a l g o r i t h m sf o r3 - t p sh y b r i d m a c h i n et o o l b yl i ub i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i el i y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 。l r ， f l 。7 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：别多杪 日 期：姗p 彳1 碍绷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：剀弗 签字日期：如d 啤- 舜争i i i 导师签名： 签字日期： 一 7 - 东北大学硕士学位论文摘要 3 - t p s 混联机床运动仿真与控制算法研究 摘要 混联机床是针对传统机床和纯并联机床的不足而进行的一种变异设计。 它将串联结构与并联结构有机结合，继承了传统机床工作空间大、灵活度大、 各轴可独立控制以及易于标定等特点，同时继承了并联机床刚度重量比大、 响应速度快、加工精度高、环境适应能力强以及技术含量高等优点，摒弃了 纯并联机床和纯串联机床的弊病，使得机床的可重组性、加工能力和加工精 度得到有效的提高。 本文详细分析了有关混联机床研究技术的国内外发展状况，对混联机床 的机构性能、运动学、工作空间等一系列问题进行了比较深入和系统的分析， 同时基于p r o e 和a d a m s 软件对该并联机床进行了实体建模及运动学仿真。 在运动学分析方面：位置逆解分析，平行机构的位置逆解分析，混联机 床雅可比矩阵的计算，雅可比矩阵方法位置正解计算以及机床各运动学指标 的仿真计算等。基于m a t l a b 软件对该混联机床进行了运动学( 位置、速度、 加速度) 正逆解分析与仿真，从而得出本机床运动学方面的特点。 在机构性能分析方面：采用数值法，利用m a t l a b 软件对该混联机床运 动平台的工作空间加以确定和仿真。采用机构的可操作度指标对机床的奇异 性进行研究；通过分析雅可比矩阵的条件数和可操作度来对机构的运动灵巧 性进行了研究，并利用m a t l a b 工具软件进行具体计算，画出性能的三维图 形来使分析可视化。 在实体建模和运动学仿真方面：具体阐述了建模和运动学仿真在p r o e 和 a d a m s 下的实现过程，采用a d a m s 提供的点驱动、样条函数、测量等功 能可以很方便的求解并联机床的正解，由得出的仿真结果分析了该混联机床 运动学方面的特点。 讨论了伺服系统中常用的几种控制算法。通过仿真对比，最终确定算法 结构闭环控制采用模糊p i d 算法。 关键词：混联机床；并联机构；工作空间；计算机仿真：控制算法 一i i ， r e s e a r c ho nk i n e m a t i cs i m u l a t i o na n d c o n t r o l a l g o r i t hm sf or3 - t p s h y b r i d m a c h i n et o o l a bs t r a c t h y b r i dm a c h i n et o o li sav a r i a t i o n d e s i g ni no r d e rt oa v o i ds c a r c i t i e so f t r a d i t i o n a la n dp a r a l l e lm a c h i n et o o l s i tc o m b i n e ss e r i a la n d p a r a l l e ls t r u c t u r ea n d 1 n h e r i t st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e w o r k s p a c e ，b i g g e ra g i l i t y , a x e si n d e p e n d e n t c o n t r o la n de a s yc a l i b r a t i o nf r o mt r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l ，a n d b i g g e rr a t i oo f n g i d i t ya n da v o i r d u p o i s ，f a s t r e s p o n s e ，h i g h e rm a c h i n i n ga c c u r a c y ，b e t t e r s u l t a b i l i t yf o rc i r c u m s t a n c ea n dh i g h e rc o n t e n to ft e c h n o l o g y f r o mp a r a l l e l m a c h i n et o o l h y b r i dm a c h i n et o o ls p u r n sd i s a d v a n t a g e si np u r ep a r a l l e la n ds e r i a l m a c h i n et o o lw h i c hl e a d st oa ne f f e c t i v ei n c r e a s ei n r e c o m b i n a t i o n ，p r o c e s s i n g c a p a b i l i t ya n dm a c h i n i n ga c c u r a c y t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h ei s s u e sr e l a t e dt oh y b r i d m a c h i n et o o li nc h i n aa n d o v e r s e a sc o u n t r i e sa n df o c u s e so nt h e d e s i g na n da n a l y s i so fas e r i e so fa s p e c t s s u c ha sm e c h a n i s m p e r f o r m a n c e 、k i n e m a t i c s 、w o r k s p a c ee r e ，m e a n w h i l ea k m e m a t l c ss i m u l a t i o ns y s t e mi si m p l e m e n tf o rt h eh y b r i d m a c h i n eb a s e do np r o e a n da d a m s 。 a n a l y s i so fk i n e m a t i c s ：i n v e r s ep o s i t i o na n a l y s i so ft h em a c h i n e ，i n v e r s ea n d d i r e c tp o s i t i o na n a l y s i so ft h ep a r a l l e ll o c k i n gm e c h a n i s m ，j a c o b i a n m a t r i xo ft h e m a c n l n e ，ja c o b i a nm a t r i xm e t h o df o r w a r dp o s i t i o nc o m p u t a t i o no f t h em a c h i n e k l n e m a t i c ss i m u l a t i o no ft h em a c h i n e ，a n ds oo n w i t ht h eh e l po fm a t l a b ， p o s l t l v e a n d r e v e r s e k i n e m a t i c s ( d i s p l a c e m e n t 、 v e l o c i t y 、 a c c e l e r a t e d v e l o c i t y ) a n a l y s i si sp r e s e n t e d ，w h i c hm a k e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e t o o lk i n e m a t i c s a n a l y s i so fm e c h a n i s mp e r f o r m a n c e ：t h ew o r k s p a c eo f m o v a b l ep l a t f o r n li s d e s c r i b e db ym a t l a bs o f t w a r eb a s e do nt h em e t h o do f h u m e r i c a d o p t i n gt h e 1 n d l c a t o r so fo p e r a b l e d e g r e et os t u d yt h e s i n g u l a r i t yo ft h em a c h i n e ；t h e i l l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c o n d i t i o nn u m b e r sa n do p e r a n do ft h ej a c o b i a nm a t r i xa r ea n a l y z e dt ot h em o t o r d e x t e r i t yo ft h em e c h i n e ， m a t l a bi su s e df o rc o u n ta n dt h r e ed i m e n s i o n s d r a w i n g st om a k ea n a l y s i sv i s u a l a n a l y s i so fm o l da n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ：o b t a i n i n gt h ee n t i t ym o d e la n d k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nw i t ht h eh e l po fp r o ea n da d a m s ，u s i n gt h ep o i n t d r i v e n ， s p l i n ef u n c t i o n s ，a n dm e a s u r e m e n tf u n c t i o n sp r o v i d e db ya d a m s c a nb ee a s i l y s o l v e dt h e p o s i t i v e s o l u t i o no fh y b r i dm a c h i n et o o la n dt h ek i n e m a t i c s c h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i dm a c h i n ei sa n a l y z e db a s e do nt h er e s u l t s s e v e r a lk i n d so fc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ch a v eb e e nd i s c u s s e di nt h et h e s i s t h e c o n t r o l l i n gp o l i c yi sf i n a l l ys e t t l e db yt h es i m u l a t i o nc o n t r a s t ，i nw h i c hf u z z yp i d i su s e dt of u l f i l lt h ec l o s e d o o rc o n t r o l l i n g k e yw o r d s ：h y b r i dm a c h i n e ；p a r a l l e lm e c h a n i s m ；w o r k s p a c e ：c o m p m e r s i m u l a t i o n ；c o n t r o la l g o r i t h m s 一一 ， 一 东北大学硕士学位论文 独创性声明 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论 1 1 课题研究意义 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 并联机构应用2 1 2 2 并联机床理论研究6 1 2 3 并联机床发展趋势8 1 3 机器人仿真技术9 1 4 本论文主要研究的内容1 3 第2 章混联机床运动学分析：1 5 2 13 - t p s 混联机床结构分析1 5 2 1 1 混联机床描述1 5 2 1 2 机构的自由度l7 2 23 - t p s 混联机床的位置分析1 8 2 2 1 机构的位置反解1 8 2 2 2 平行约束机构的位置分析2 1 2 2 3 机构的运动学雅可比矩阵2 4 2 2 4 位置正解的雅可比方法2 6 2 2 5 计算实例2 7 2 33 - t p t 并联机构的运动分析2 9 2 3 1 输入输出速度分析2 9 2 3 2 加速度分析3 l 2 3 3 速度、加速仿真3 2 第3 章混联机床机构性能分析3 5 3 1 机床的工作空间分析3 5 3 1 1 影响并联机床工作空间的因素3 6 3 1 2 并联机构工作空间的确定方法3 7 3 1 3 算例3 9 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 机构的奇异性分析4 0 3 3 机构的灵巧性分析4 3 第4 章混联机床三维实体建模及仿真分析4 6 4 1 概j 苤4 6 4 1 1 电子样机技术简介4 6 _ 4 1 2 建模与仿真4 6 4 1 3 运动学仿真4 7 4 2 基于a d a m s 的并联机构仿真分析4 9 4 2 1 概述4 9 4 2 23 - t p s 并联机构的模型构建5 0 4 2 33 - t p s 混联机床的运动仿真5 4 第5 章控制算法研究5 9 5 1p i d 控制5 9 5 1 1p i d 控制算法结构5 9 5 1 2p i d 控制应用6 l 5 2 模糊p i d 控制6 2 5 3 神经网络p i d 控制6 5 5 3 1 神经网络模型及算法6 6 5 3 2 神经网p i d 算法6 7 5 4a d a m s 与m a t l a b 的联合控制仿真6 9 第6 章结论与建议7 2 6 1 结论7 2 6 2 建议7 2 参考文献7 4 致谢7 8 一v i 一 ， l 止 l i ， ad i s s e r t a t i o ni ng e o t e c h n i c a ie n g i n e e r i n g c a l c u l a t i n gm e t h o d r e s e a r c ha n di n - - s i t ut e s t a n a l y s i so nl a t e r a l l yb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co f i m m e r s e dt u b e f i l l i n gp i l e b yl i uw e n h u a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gs h u h o n g c o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl e v e ls e n i o re n g i n e e rl i uz h o n g c h a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u i 1 22 0 0 8 1 ： ， ，叶，-、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ；a 二 恧。 学位论文作者签名：旅多 日 期：狮孑一7 一乒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位。 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半两年口 导师签名： 签字日期： ， 豆荔严 彬奄一7 - 必 彳 、戈 、衣广 轹7 签曙 者 撕储撕刘飙 沦日位字学签 _ 一 q 、- 东北大学硕士学位论文 摘要 沉管灌注桩水平承载特性试验分析及计算方法研究 摘要 近年来，随着施工工艺的不断改进，各种演变的沉管灌注桩施工质量更好、施工更 快、造价更省，已经从多层建筑使用到高层建筑。建筑物越高对沉管桩的要求也越高， 不仅在竖向承载力上要求其具有更高的承载能力，同时在横向上也提出了一定的承载要 求，但由于灌注桩多为竖直桩，故考虑桩的水平承载力势在必行。 本文基于沉管灌注桩的水平承载原位试验，重点研究了沉管灌注桩水平承载特性及 在计算新方法方面做了探讨。研究方法和手段包括现场试验、数据统计分析、数值模拟 与实例验证。具体研究内容如下： 首先分析研究了当前国内外对桩水平承载特性的研究现状，对水平承载桩受荷过程 中的工作与破坏性状作分析研究，归纳汇总了水平承载桩各种设计计算方法，重点分析 对比当前常用的几种主要方法的优缺点。 然后结合沉管灌注桩原位水平承载试验，分析概括了沉管灌注桩的特点、设计及其 水平承载特性，对原位试验数据成果作了细致分析，得出桩受水平荷载作用规律，应用 当前流行的几种线弹性地基反力法对试验工程桩的水平承载特性进行理论计算。 通过对原位水平承载试验数据进行统计分析，应用m a t l a b 软件进行回归拟合， 提出沉管灌注桩水平承载特性计算新方法。新方法属于非线弹性地基反力法，适用于桩 顶自由弹性桩的计算，从建立的非线性微分方程可以看出，桩侧地基土反力随深度成线 性变化，随水平位移的1 3 次方变化。在充分考虑前人工作的基础上，并结合本文新方 法的试验依据，提出建立标准桩，采用相似法则来计算实际桩。由于非线性微分方程没 有解析解，故本文用有限差分程序f l a c 3 d 进行数值模拟计算，确定新方法标准桩的各 项参数，建立标准桩荷载与变形表，实现了新方法的计算过程。 最后将现场试验数据与新方法计算结果对比，验证了新方法的实用性与可操作性， 并在标准桩数值模拟的基础上，分别模拟讨论了桩长、桩径、桩身抗弯刚度、竖向荷载 等因素的变化对沉管灌注桩水平承载特性的影响。 本次研究在沉管灌注桩的水平承载特性方面做了较为详细现场试验研究和理论分 析，推导了地基土反力随深度与水平位移的关系，提出了沉管灌注桩水平承载特性计算 的新方法，并在工程开展初步验证和应用。 关键词：沉管灌注桩、水平承载、原位试验、数值模拟、f l a c 3 d 、相似理论、标准桩 、1 ( 一 吖 1 h r 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t - s i t ut e s ta n a l y s i so n c a l c u l a t i n gm e t h o dr e s e a r c ha n d i n l a t e r a l l yb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co fi m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , m a n y k i n d so ft h ee v o l v e di m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l eh a v eb e t t e rq u a l i t y , h i g h e rc o n s t r u c t i o ns p e e d ， a n dl o w e rc o s t t h e yh a v eb e e n u s e di nm u l t i - f l o o rb u i l d i n ga n ds o m eh i g h e rb u i l d i n g s t h e h i g h e rt h eb u i l d i n gi s ，t h em o r ei td e m a n d so f t h ei m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l e i tr e q u i r e sb e t t e r l o a d i n gc a p a c i t yn o to n l yi nt h ea s p e c to ft h ev e r t i c a ll o a d ，b u ta l s oi nt h ea s p e c to f t h el a t e r a l l o a d h o w e v e r m o s to fs u c hp i l e sa r ee r e c t ，s ot a k i n gt h el a t e r a l l yb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e s i n t oc o n s i d e r a t i o ni si m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o n i nt h i st h e s i s ，b a s e do ni n - s i t ul a t e r a ll o a dt e s t ，i m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l ew a sf u r t h e r r e s e a r c h e d ，e m p a s i so f w h i c hw a sl a i do ni t sl a t e r a l l yb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dc a l c u l a t i n g m e t h o da n dr e s e a r c ha p p r o a c h e sa n di n s t r u m e n t ss u c ha si n - s i t ut e s t ，s t a t i s t i ca n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x a m p l ev e r i f i c a t i o nw e r ea p p l i e d t h ep r i m a r yc o v e r a g eo f r e s e a r c hw a sd e t a i l e da sf o l l o w ： f i r s t l y , ia n a l y z e dt h ec u r r e n ti n t e r n a la n de x t e r n a lr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ep r o p e r t i e so f t h el a t e r a l l yl o a d e dp i l e ，s t u d i e dt h el a t e r a l l yl o a d e dp i l e sc o n s t r u c t i v ea n dd e s t r u c t i v e p r o p e r t i e si nt h ec o u r s eo fi t sb e a r i n gl o a d ，a n ds u m m a r i z e dv a r i o u sc a l c u l a t i n gm e t h o d s c o n c e r n i n gt h el a t e r a l l y l o a d e dp i l e s ，e m p h a s i so fw h i c hw a sl a i do na n a l y z i n ga n d c o n t r a s t i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h em a j o rm e t h o d su s e dc u r r e n t l y a f t e r w a r d ，c o m b i n i n gw i t ht h ei n s i t ul a t e r a l l yl o a d i n gt e s to f t h ei m m e r s e dt u b ef i l l i n g p i l e ，ia n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g n ，l a t e r a l l yb e a r i n gp r o p e r t i e s ，a n d m a d eam e t i c u l o u sa n a l y s i so nt h eo r i g i n a lp o s i t i o nr e s u l t ，t h u sw o r k i n go u tal a wb yw h i c h t h ep i l eb e a r i n gl a t e r a lw e i g h tw o r k s a n dt h e ns o m ep o p u l a rl i n e a r - e l a s t i c - f o u n d a t i o n - r e a c t m e t h o d sw e r ea p p l i e dt oc a r r yo nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fl a t e r a l l yb e a r i n gp r o p e r t i e so ft h e t e s tp i l e s h a v i n ga n a l y z e dt h ei n - s i t ul a t e r a ll o a dt e s tf i g u r e sa n dr e g r e s s i v e l yf i tt h e mb yu s i n g m a t l a bs o f t w a r e ，i p r o p o s e d an e wm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h el a t e r a l l y b e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h ei m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l e t h i sn e wm e t h o dw h i c hb e l o n g st ot h e 东北大学硕士学位论文 c a t e g o r yo fn o n l i n e a re l a s t i cf o u n d a t i o nr e a c tm e t h o di sa v a i l a b l ef o rt h ec a l c u l a t i o no ft h e e l a s t i cf r e e h e a dp i l e w e 1 1s e gf r o mt h en o n - l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o nt h a tt h ef o u n d a t i o n r e a c t i n gf o r c eb yt h e s i d eo ft h ep i l ev a r i e si nal i n e a r i t yw a yw i t hd e p t h , a n da l s oi na l i n e a r i t yw a yw i t ho n et h i r dd i s p l a c e m e n t o nm eb a s i so ft h es u f f i c i e n tc o n s i d e r a t i o no ft h e 、 e l d e r s w o r ka n dc o m b i n i n gw i t ht h et e s tf o u n d a t i o no ft h en e wm e t h o dd i s c u s s e da b o v e ，i p u tf o r w a r dt oe s t a b l i s hs t a n d a r dp i l ei no r d e rt oa p p l yt h es i m i l a r i t yt h e o r yt oc a l c u l a t et h e p r a c t i c a lp i l e a n df o rt h en o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o nh a sr i oa n a l y t i cs o l u t i o n ，i nt h i s t h e s i st h ef i n i t ed i f f e r e n t i a lp r o g r a mf l a c 3 dw a sa d o p t e dt oc a r r yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n w i t ht h ep a r a m e t e r so fs t a n d a r dp i l eu n d e rn e wm e t h o df i x e da n dt h es t a n d a r d p i l e sl o a da n dd i s p l a c e m e n ts h e e te s t a b l i s h e d ，t h ec a l c u l a t i n gp r o c e d u r eo ft h en e wm e t h o d w a sf i n a l l ya c c o m p l i s h e d l a s t l y , a f t e rc o n t r a s t i n gt h ei n - s i t u t e s tf i g u r e s 、 ，i mt h ec a l c d a t i n gr e s u l t sb yn e w m e t h o d ，i tw a st e s t i f i e dt h a tt h en e wm e t h o di sp r a c t i c a la n do p e r a b l e m o r e o v e r , o nt h eb a s i s o ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t a n d a r dp i l e ，ia l s od i s c u s s e dh o wt h el a t e r a l l yb e a r i n g p r o p e r t i e so ft h ei m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l ew o u l db ei n f l u e n c e dw h e ns o m ef a c t o r ss u c ha s i t sl e n g t h ，d i a m e t e r , p i l eb o d yb e n d i n gr i g i d i t y , v e r t i c a ll o a do i lp i l et o pc h a n g e ，： t h i sr e s e a r c hc o m p l e t e di n - s i t ut e s ts t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nl a t e r a l l yb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co fi m m e r s e dt u b ef i l l i n gp i l e ，e l i c i t e dt h el a wo ff o u n d a t i o nr e a c t