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摘要 水平定向钻机机械系统的静动态 特性研究 摘要 研究生：解艳秋导师：陈云飞 东南大学机械工程学院 水平定向钻机是目前被广泛使用的一种重要的非开挖施工机械。其主要功能是为钻杆提供足够 大的扭矩和推拉力，以实现导向钻进和回拉扩孔铺管。目前，水平定向钻机正向多功能、集成化、 自动化、标准化、系列化、模块化的方向发展。水平定向钻机机械系统的静动态特性决定其施工精 度，而机械系统的静动态特性又是由组成该机机械系统各个零部件的动态特性所决定的，因此有必 要对钻机的关键零部件进行静动态特性研究，并根据分析研究数据对现有水平定向钻机进行适当改 进设计。 本文以水平定向钻机的关键零部件大梁、动力箱、底盘为研究对象，以有限元法、结构动力学、 模态分析等为理论基础和分析手段，以有限元软件a n s y s 为工具，分别对动力头箱体进行了结构静力 学分析、谐响应分析：对大梁进行了瞬态动力学分析及优化设计；对底盘进行了模态分析。 通过对动力箱进行的静态分析，了解其在工作状态下可能会有的应力和变形情况，根据分析结 果对其进行强度校核。依据动力头箱体谐响应分析数据，对其结构做了适当改进设计；通过对大梁进 行优化分析，找到了减轻整机重量的大梁最优尺寸，依据工程实际要求圆整大梁优化数据，改进大梁 结构；通过对底盘进行模态分析，来判别底盘薄弱环节及共振区域，然后根据分析所得的结果，提 出改进设计的理论依据。经过对水平定向钻机的关键零部件进行动力学或静力学研究并进行相关的 结构优化设计，最终达到优化钻机钻机机系统动态特性的目的。 关键词：水平定向钻机有限元法结构动力学优化设计a n s y s a b s t r a c t r e s e a r c ho fs t a t i c & d y n a m i cc h a r a c t e r i so f t h em e c h a n i c a ls y s t e mo fh o r i z o n t a l d i r e c t i o n a ld r i l l e r a b s t r a c t b yx i ey a n - q i u s u p e r v i s e db yc h e ny u n - f e i s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y h o r i z o n t a l l yd i r e c t i o n a ld r i l l e r ( h d d ) i so n ek i n do fi m p o r t a n tt r e n c h l e s s sm a c h i n ew h i c hi su s e da b r o a d a tt h ep r e s e n tt i m e i t sc h i e ff u n c t i o ni sp r o v i d i n ge n o u g ht o r s i o n p u s h i n ga f l dp u l l i n gf o r o ef o rt h ed r i l l i n gp o l e s oa st oc o m p l e t et h ew o r ko fl e a d i n gd r i l l e r sa d v a n c ea n ds p r e a d i n gt h ep i p ew h e nt h ed r i l l e rc o m e sb a c k a t p r e s e n t ，h o r i z o n t a l l yd i r e c t i o n a ld r i l l e ri sd e v e l o p i n gt ot h ed i r e c t i o no fm u l t i f u n c t i o n ，i n t e g r a t i o n , a u t o m a t i o n , s t a n d a r d i z a t i o n s e r i e s ，a n dm o d u l a r i z a t i o n t h es t a t i c & d y n a m i cc h a r a c t e r i so ft h et o t a ls y s t e mo fh o r i z o n t a l l y d i r e c t i o n a ld r i l l e rd e t e r m i n e si t sw o r k i n gd e c i s i o n , a n dt h es t a t i c & d y n a m i cc h a r a c t e r i so ft h et o t a ls y s t e mi s d e c i d e db yt h es t a t i c & d y n a m i cc h a r a c t e ro fa l lo ft h ep a r t sw h i c hc o m p o s et h eh o r i z o n t a l l yd i r e c t i o n a id r i l l e r s oi ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho fs t a t i c & d y n a m i c st ot h ec r i t i c a lp a r t so ft h em a c h i n e a n di m p r o v e st h e h d da c c o r d i n gt ot h ed a t ao fr e s e a r c ha n da n a l y s i s t h er e s e a r c h so b j e c to ft h i sa r t i c l ei st h eg i r d e r , t h eb o xo ft h ed r i v i n gh e a d t h ec h a s s i s a n dt h em e t h o d o ff i n i t ee l e m e n t s t r u c t u r a ld y n a m i c sa n dm o d ea n a l y s i sa r et h ea c a d e m i cb a s i sa n da n a l y t i c a ii n s t r u m e n t b y t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s s o m es t a t i c s a n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i st ot h es t r u c t u r eo ft h eb o xo f t h ed r i v i n gh e a d s o m et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nt ot h eg i r d e r , s o m em o d a la n a l y s i st ot h e c h a s s i s b yd o i n gs t a t i c s a n a l y s i st ot h eb o xo ft h ed r i v i n gh e a d i t ss t r e s sa n dd i s t o r t i o na r eg o t t e n t h e n i n t e n s i t y sa n a l y s i si sd o n e s t r u c t u r a li m p r o v i n g - d e s i g no ft h eb o xo ft h ed r i v i n gh e a di so b t a i n e df r o mt h ed a t a o fh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s b yd o i n go p t i m i z a t i o nt ot h eg i r d e r , t h eo p t i m a ls i z eo ft h eg i r d e ri sf o u n dt o r e d u c et h ew e i g h to fw h o l em a c h i n e 1 1 1 es t r u c t u r eo ft h eg i r d e ri si m p r o v e do nt h eb a s i so ft h eo p t i m a ld a t a f r o mt h er e q u i r e m e n to fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e b yd o i n gm o d a la n a l y s i st ot h ec h a s s i s t h ew e a k n e s sa n dt h e l i b r a t i o nr e g i o no f t h e s ep a r t sc a nb ee s t i m a t e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v et h e c h a s s i s o nt h eb a s i so fs o m ea n a l y s e so ft h er e s u i t s t r u c t u r a li m p r o v i n g d e s i g ni sc a r r i e do u tl o c a l l y , b yd o i n g d y n a m i c s o rs t a t i c s r e s e a r c ha n dc o r r e s p o n d i n gi m p r o v i n gd e s i g nt ot h ec r i t i c a lp a r t so ft h eh o r i z o n t a l l y d i r e c t i o n a ld r i l l e r , t h et a r g e to fo p t i m i z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e ro ft h et o t a ls y s t e mo ft h eh o r i z o n t a l l y d i r e c t i o n a ld r i l l e ri sg o t t e na tl a s t k e y w o r d ：h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a l l yd r i l l e r ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t r u c t u r a ld y n a m i c s ；o p t i m i z a t i o n ； a n s y s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 牲导师签名：擘虬日期：卵，中b l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 非开挖技术，即非开挖地下管线施工技术，国外称t t ( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 或“n o - d i g ”。 它是指在不开挖地表的情况下，利用地质工程的技术手段，铺设、修复或更换各种地下管道和电缆 的一种高科技实用新技术。 传统的地下管线施工方法是“挖槽施工法”。这种施工方法的主要缺点是对地上交通与环境的影 响极大，使本来已经十分拥挤的城市交通“雪上加霜”，给市民的工作和生活带来诸多不便。人们给 这种做法起了个幽默的名字“马路拉链”，虽然幽默，但是却是人们对开挖式施工的无奈。另外，开 挖施工使道路的质量变差，寿命缩短，污染环境，而且地下管线被挖断的事故时有发生，经济损失 巨大。与传统的挖槽施工法相比，非开挖施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合 施工成本低、社会效益显著等特点。它可广泛用于穿越高速公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹 市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等，进行市政、供水、煤气、电力、石油、天然气等管线 的铺设、更新和修复。 1 1 1 课题研究背景 非开挖技术是对传统地下管线开挖建设方法的一次革命，自正式进入工程施工市场至今，以其 效率和成本等优势，日益受到人们的重视，取得了很好的社会效益和经济效益。 在国外，尤其是西方发达国家，非开挖技术的应用已十分普遍，技术的发展也比较成熟。在国 内，随着城市化进程的加快，人民生活水平的提高，环境保护力度的加大，传统的开挖方式越来越 不适应现代化建设形势的需求，而非开挖技术以其不影响交通，铺管速度快、效率高，无环境破坏， 不影响人们正常工作、生活等一系列优点越来越受到地下管道建设部门的青睐旧1 。同时，非开挖工 程的开展，带动了非开挖技术的发展，部分非开挖设备已实现国产化。但与国外相比，国内非开挖 施工法少，服务领域窄，管线修复与更换技术刚刚起步，关键的测控仪器的研制还处于原理机阶段， 配套的材料较落后，复杂地质条件下铺管技术不成熟，等等h 1 。这些情况都要求我国要抓紧时机大 力发展非开挖技术，缩短差距，争取赶超国外的先进水平。 目前国内外所采用的主要非开挖技术方法有水平定向钻进法、微型隧道法、导向钻进法、夯管 法、水平螺旋钻进法、项杆和顶管法、碎管与吃管法、内衬与喷涂法等崎1 。可用来铺设、修复和更 换直径4 0 衄至2 5 0 0 衄的各种地下管线，距离可达上千米。 非开挖旌工的分类方法较多，按用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类。 ( 1 ) 管线铺设。根据簏工的管径分为两类：管径 9 0 0 m m 的可迸人管线铺设方法与管径 n f a f = n a ( 3 2 4 ) 忙1 式中口i 待定系数； f 给定的形函数； 刀待定函数的个数。 在，l 为有限项数的情况下，近似解不能完全满足微分方程式( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) ，即产生残差，记 j 1 2 彳( ( 3 2 5 ) 【r = b ( n a ) 残差足、犬称为余量。 取有限个给定的函数代替式( 3 2 3 ) 中的任意的函数 ，、，有 卜= w ， 一二( j = 1 ，2 ，n ) ( 3 2 6 ) p 2 代入式( 3 2 3 ) ，近似的等效积分形式为 哆4 ( 口) 拉+ i 万歹b ( n a ) d r = 0 ( j - 1 ，2 ，川 ( 3 2 7 ) 写成余量的形式，则有 l 哆尺拯+ i 万；劢= 0 ( _ ，- 1 ，2 ，川 ( 3 2 8 ) 式( 3 2 8 ) 为余量的加权积分，矽，和，称为权函数，因此，这种近似方法可称为加权余量法。 由余量的加权积分为零，确定近似函数艿或残量中的待定系数口f ，得到原问题的近似解。 加权余量法是求解微分方程近似解的一种有效方法。由于任何独立的函数矽，、形，可作为权函 1 6 第三章基于a n s y s 的动力头箱体的静动态特性分析 数，选择不同的加权余量，其计算方法有不同的名称，如配点法、子域法、最d , - - 乘法、力矩法和 伽辽金法等。 ( 3 ) 伽辽金法 伽辽金法是加权余量方法中的一种。它将原来的形函数作为权函数，即：w i = n ，在边界r 上， w ，= 一w i = 一n ，于是式( 3 2 7 ) 可写为 l 哆彳( 萎阿) m 一，t b ( 蚤柳) d r = o ( _ ，1 ，2 ，甩) ( 3 2 9 ) 伽辽金方法求解方程的系数矩阵往往是对称的，因此在用加权余数法建立有限元法时，大多采 用伽辽金方法幢刳。 3 弹性连续体的理论基础变分原理 ( 1 ) 泛函与变分 定义：设抄o ) ) 为已给定的某类函数，如果对这类函数中每个函数y ( x ) 有某个数与之对应， 则称为函数的泛函，记为n = 陟( 工) 】心3 1 。 _ y ( 工) 称为自变函数，称为泛函数或泛函。 变分法是研究泛函数的极大值或极小值的一种方法，变分计算的目的就是把满足具体边界条件 的极值曲线y = j ，( x ) 找出来。 若泛函n = n 【y ( x ) 】有变分，且在y 节o ( 力上达到极大值或极小值，则在y 可o ( 力上一阶变分 6 1 - 1 = 0 ，函数y = y 0 ( x ) 称为极值函数。 ( 2 ) 泛函变分问题与微分方程边值问题的等价性 设泛函 陟o ) 】= e 2f b ，灭工) ，y 7 ) k ( 3 3 0 ) 啊l 式中f 是工，y o ) 和y ( x ) = 半的函数。 假定泛函兀有极值，即铘= 0 的条件是 m = 2 l 等一姜( 等) 7 g 净- o 刁o ) 为任意的，可知泛函n 陟( 工) 】在y o ) 上达到极值的必要条件是 娑一车f 答1 _ 0 ( 3 3 1 ) o y a t f 哕 式( 3 3 1 ) 是一个微分方程，是欧拉由泛函求极值得到的，且只有一个独立变量x ，称为一维欧 拉方程。 微分方程式( 3 3 1 ) 的边值问题的解，等价于相应泛函式n 陟( 工) 】一c 2f b ，y ( 工) ，y 7 0 ) k 求极值问 啊i 题的解。这种等价性或相关性，通常称为变分原理。应用这种等价性，就可以把类似于式( 3 3 1 ) 的 微分方程边值的求解问题转化为相应泛函求极值的问题。 ( 3 ) 能量变分原理 当物体受到外力作用时，就会发生变形。如果忽略物体在加载和卸载时能量的损失，则载荷在 结构上所做的功将全部转化为结构变形势能，而在载荷卸除后它将产生使结构恢复原状的能力，这 就是能量原理的物理依据。 虚位移原理心训 当结构系统是保守系统，外力在变形位移方向上对弹性体做功。则对这样的物体在变形时所做 的功，可以看成是储存在物体中的能鼍，称为廊变能。因此，应变能可以看成是弹性体变形时，它 所吸收的能量。在讨论弹性系统的能量时，不仅要考虑外力所做的功( 对应于系统势能的，成为外 力势能) ，还要考虑和变形相对应的应力( 内力) 所做的功，即应变能( 对应于系统势能的，成为内 力势能) 。 虚位移是指任意的、微小的可能位移，它具有任意性。 对任意物体，它受到外力f 作用，在外力作用下，物体产生的应力为口，假设物体发生虚位移广， 1 7 东南大学硕士学位论文 虚位移所产生的应变为s 。 在产生虚位移时，外力已经能够作用于物体， 在虚位移上所做的虚功是 下 w = ( 万) 1f 且在虚位移过程中，外力保持不变。因此，外力 ( 3 3 2 ) 在单位体积内，应力在虚应变上的虚应变能为( 占) od r ，则整个物体的虚应变能为 ( ，：f + ) t 础d y d z ( 3 3 3 ) 虚位移原理表明，如果在虚位移发生之前，物体处于平衡状态，那么在虚位移发生时，外力所 做的虚功等于物体的虚应变能，即 ( 艿幸) t f ：f 幸) t o d x d y d z ( 3 3 4 ) ，势能变分原理 物体的势能 h = u 一形 ( 3 3 5 ) 由于外力所做的功和应变能均是位移的函数，而位移又是坐标x ，y ) z 的函数，因此物体的势能是 个函数的函数，即泛函。 弹性体在外力作用下发生变形，则在所有满足边界条件和协调要求的可能位移中，使总势能为 最小值的位移满足静力平衡条件，即为最小势能原理。 最小势能原理要求满足 铘= 础一g w = 0 ( 3 3 6 ) 可见，最小势能原理表现为物体势能泛函取驻值，即势能的交分等于零。方程式( 3 ，3 6 ) 称为变 分方程。 相对于问题的微分方程提法，变分原理称为问题的泛函变分提法。 采用变分法近似求解，要求在整个求解区域内预先给出满足边界条件的场函数，通常很困难。 将整个求解区域分割成若干子域，用分片连续的场函数代替整个域内的场函数，这就是有限元的基 本思想。势能变分原理是有限元法分析的重要理论基础。 3 2n q s y s 有限元软件 3 2 1 州s y s 的主要特点 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元软件。从1 9 7 1 年 的2 0 版本到今天的1 1 0 版本，a n s y s 从操作界面到分析功能等各方面都有巨大的改进。它由世界 上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，能与多数c a d 软件接口( 如： p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l g o r 、i d e a s 、u g 、s o l i d w o r k s 、i n v e r t o r 等) ，实现数据的共享和交 换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 a n s y s 也是目前世界范围内增长最快的c a e 软件，是迄今为止世界范围内惟一通过i s 0 9 0 0 1 质 量认证的分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国国家核安全局( n o a ) 及近2 0 种专 业技术协会认证的标准分析软件。在中国，它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证， 并在1 7 个部委推广使用的分析软件心5 。 a n s y s 的分析功能简述如下。 a n s y s 热分析主要用来计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数( 热量的获取或损失、 热梯度、热流密度等) ，根据温度场性质的不同，热分析可分为稳态热分析和瞬态热分析两类。稳态 热分析用于确定稳定的热载荷对系统或部件的影响，瞬态热分析用于计算一个系统随时问变化的温 度场及其热参数。 a n s y s 电磁分析中考虑的物理量是电场强度、磁通密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电 感、涡流、能耗及磁通量泄露等，功能包括： a )静磁场分析：计算直流电( d c ) 或永磁体产生的磁场。 b )交变磁场分析：计算由于交流电( a c ) 产生的磁场。 e )瞬态磁场分析：计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。 d ) 电场分析：分析电阻或电容系统的电场。 流体分析用于确定流体的流动及热行为，可分为以下几类： a )c f d a n s y s f l o t r a n 提供强大的计算流体动力学分析功能，可进行不可压缩流或可压缩流 1 8 第= 帝罄于a n s y $ 动力 辅体的肝自春特性分析 分析，层流及湍流分析多组份流分析等。 b ) 声学分析：考虑流体介质与周胞固体的相互作用，进行声波传递或水f 结构的动力学分析。 c )容器内流体分析：考虑容器内非流动流体的影响对流体予以分析。 a n s y s 士木工程专用包a n sy s c i v i i f 阴用来研究铺结构、钢筋混凝土及岩十结构的特性，如房 屉、桥辫 ，大坝、洞宣与隧道建筑，底下建筑物的受力、变形、稳定性及地震响戊等情况。 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域e 根据力学性质的不同，& n s y s 的结构分析 可分为静力分析、动力学分析( 模春分析、谐响应分析、磷态动力学分析、谱分析) 、非线性分析( 几 何非线性分析、材料非线性分析、状态非线性分析) 、优化设计，可靠性分析等儿类。 结构分析中计算得出的基本来知置( 节点白由度) 趄位移，其他的一些未知艟如应变、戍力和 反力可通过甘点位移导出。 静力分析用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等静力分析包括线性和非线性分析。而 非线性分析涉及塑性、应力剐化、太变形、旋转软化、大应变、超弹性、枯塑性、接触和蠕变等各 类情况。 模态分析用于计算结构的固有频率和模态 噼晌戍分析用于确定结构在随时间正弦变化的筑荷作用下响应。 谱分析是模态分析的应用拓广，埘于计算由于响应谱或p s v 输入( 随机振动) 引起的应力和应 变。 屈曲分析用于计算屈曲载荷和确定屈曲摸态。a n s y s 可进行线性( 特征值) 和非线性屈曲分析 另外，t n s y s 特殊的分析应用还包括断裂力学计算、复台材料分析、疲劳计算、显式动力分析 ( 利用a n sy s l sd y n a 进行高度非线性动力学分析如爆破分析以及复杂接触问趣的计算等) 。 32 2 州s 丫s 的基本分析过程 一般来讲a n s y 5 分析昀基本过程可以分为虬下几步： 1 构建有限元横型； 2 加载并隶解： 3 提取分析求解结果。 对于不同的分析类型这3 大步的实际操作过程是有根丈差异的。 3 3 动力头箱体的结构分析 33 1 动力头箱体的已知条件 箱体的材料为球墨铸铁q r 4 5 0 - l o , 许用应力b 】= 2 0 7 - n 箱体通过两翻的孔闷联在大梁的滑板 上( 在垂直于大梁的方向上没有相对运动可以沿着大粱作相对运动( 为滚动) ) ，在箱体内部装有 级齿轮传动。如图3 - i ，圈3 屯分别为动力头辖体的装配模拟圈和三维实体幽。 圈3 - i 动力头箱体装配极拟朗 图3 - 2 动力头筘体三维实体幽 箱体所受力的大小、方向和位置如f ：由于是直齿轮传动所以齿轮啮台只产生径向力和周向 力t 而没有轴向力。由齿轮啮台所引起的小齿轮径向力大小为5 4 3 3 n ，作用在位1 ：箱体上删小齿轮 轴的轴承库处，人小印为2 7 1 62 5 ，方向为卅y 轴正向，大齿轮所受径向力大小为2 1 7 2 95n ，作用 在位丁箱体r 侧人齿轮轴的轴承崩处，人小即为1 0 8 6 5 nn ，方向为沿y 轴负向。 动力头的同拖力：在输出轴的轴承靡娃，人小为2 8 0 k n ，方向为沿x 轴负向。 东南学l 论i 332 动力头箱体的有限元分析模型 虽然a s y s 在其前处理阶段具_ 仃较强的建模功能，可以直接在其中创建模型，但是对于复杂的 模型，它的建模效率是报低的。“。田此车文采用_ 二蛙造5 功能强大、操作简单、0 其他三维设计分 析软中| _ 的数据交换能力强的三维设计主流敬什i r o e 束建也曲力头筘体的二三维实体槛靶。 埘p r o e 建立的三维实体模型井不能直接进行彳i 限托分析，需要进行一些前姗处理。根据分析 软件的婴求和模型的结构特点，主要对模型进行了如r 姓理： 根据分析软科的简化规螂击除一些孔、倒角、小凸台等对分析结果无关壤耍的细节特征m 。 箱体通过销轴固定在人粱的滑扳上它所受的载荷最终与滑扳对它的反f i ：l t j 力恕平衡。如果将 整个动力又看作一个整体与旧拉扩孔铺管时它只可以沿x 方向相对下人粱滑动。 在建立箱体的宵限元模删时所进择的单元属性如f ：单元类珊为s o l i d 4 5 ：材料属性如f ： 弹性模掇e = l _ 5 0 1 0 砷a ，泊挫比“= o2 5 。 实体模型被转化为相应的有限元模型后北台有5 1 8 7 8 个h 点和2 6 7 6 1 个单元。图33 为动力 头箱体的有限元模型。 舟翻 煳3 - 3 动力头箱体的仃限元模，i ! ! 图3 - 4 动力头箱体的加拽分析幽 箱体通过螺栓固定在滑架上，它所受的载荷最终与沂架对它的反作坩力平衡。如果将整个动力 头看忭一个接体，箱体所受外力主要是滑架的轴向推力和回拖力及钻杆地反向推力和回拖力。因此， 祚并螺纹孔处施加限制三个平动自由废的约柬，实际悄况鞍为吻台，且体位置如幽3 4 所示。 撤姑已蛆i 箱体的受力情况，在箱体的相应位置处旌加了相应的载荷由于动力头的回拖力和推 力不耐时出现在计算时重点计算同拖上况。另外由丁箱体及内部各部件的自重较小( 小丁最大 载荷的l ) ，在计算对将它 j 忽略，不会影响结果精度。 3 33 动力头箱体的有限元结果分析 田网拖时动力头受力较人”1 故重点计算r 阿拖丁况的动力头箱体应山发变彤情况。模型的相 对麻力、麻变嘲及节点位移矢姑总图分别如图3 - 5 ，3 - 6 、3 - 7 所示。 一：二：。 n 酗3 - 5 动力头箝体等教鹰力幽 第= 艰鹫十a n s y s 的动力头柑体的静动态特性分析 ! ! ! ! ! ! 要曼立! ! ，i 图3 7 动力头箱体节点位移图 由圈3 - 6 可以看出，由于轴向的推拉力载荷远大于其它裁荷箱体的应力主要分布在承受达一 载荷的半个箱体上，在回拖情况下整个箱体的绝大部分区域的正席力在99 m p a 以f ，毋大麻力在 输出轴孔的上方为1 78 2 2m p a ，远远小于许用应力2 0 7 p a 。 由_ 节点位移图可以看出，接个箱体的最大位移位于输出轴轴孔的外缘上方位移方向为轴向 位移域为n0 4 9 m 。该数值较小满足使用要求。 由分析计算结果可知；忽略由施加约束所产生的麻力集中t 在极限载荷的作川下，整个箱体的 塌大正戍力为1 78 2 2 m p a ，最大变形位移量为o0 4 9 m m 。现有设计满足箱体的强度、刚度使用要求。 3 4 动力头箱体的谐响应分析 3 41 谐响应分析概论 喈响应分析是j 玎于确定线性结构在承受箍时问按正弦( 简谐) 规律变化的姣荷时的稳态响戊的 一种技术”1 。其输入为己知大小和频率的谐波载荷( 力、压力和强迫位移) 三茈者同一频率的多种载荷 可以琏相同或不同的。其输出为每一个自由度上的谐位移，通常和施加的载荷不相同，或者是其他多 种导出量如应力和应变普。 任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应( 谐响应) 。i 自响麻分析使i 殳计人员能 预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其醴计能否成功地兜服兆振、疲劳及其它受 迫振动引起的有害敛果。 谐响应分析的目的是计算出结构在儿种频率f 的响商并得到一些响应值( 通常是位移) 对频卑 东南大学硕士学位论文 的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。该技术只计算 结构的稳态受迫振动，而不考虑发生在激励开始时的瞬态振动。如图3 - 8 所示为谐响应分析系统实 例。 图示1 ：f = rc o s 伽) ；2 ：i = i oc o s ( c o t + 矽) ，其中e 和缈为已知，厶和未知。 2 l 酊尺蕊 vu 田 间 ( a ) 典型谐响应分析系统( b ) 结构的瞬态和稳态谐响应分析 图3 8 谐响应分析系统实例 谐响应分析是一种线形分析。任何非线性特性，如塑性和接触( 间隙) 单元，即使定义了也将 被忽略。但在分析中可以包含非对称矩阵，如分析在流体一结构相互作用中的问题。谐响应分析同样 也可用以分析有预应力的结构。 谐响应分析有三种方法：f u ll ( 完全法) 、r e d u c e d ( 减缩法) m o d es u p e r p o s i t i o n ( 模态叠加 法) 。其中m o d es u p e r p o s i t i o n 法通过对模态分析得到的振型( 特征向量) 乘上因子并求和来计算 出结构的响应。 3 4 2 动力头箱体的谐响应分析 1 动力头箱体固有频率 利用m o d es u p e r p o s i t i o n 法进行谐响应分析，峰值响应分析发生在力的频率和结构的固有频率 相等时，在得到谐响应分析之前，应该首先做一下模态分析，以确定结构的崮有频率。箱体的前十 五阶固有频率如表3 所示。 表3 动力头箱体前十阶固有频率 2 激振力的计算与分析 钻机工作时，会有周期性的激振力钻进反力作用在动力箱上，当激振力的频率与动力箱固有频 率相同时，就会发生共振，这不仅会降低钻机施工精度，也会对箱体其至整个钻机造成破坏，这在 实际应用中是必须避免的，因此研究动力头箱体动力响应具有积极的意义。在提取箱体向有模态时 可知，箱体最大位移处位于输出轴孔上方区域，在此区域任意拾取一节点施加激振力，激振力的幅 值取1 3 0 k n 。 2 2 第三章基于a n s y s 的动力头箱体的静动态特性分析 由于转速在0 1 0 0 r r a i n ，若实际工作时刀= l o r m i n ，输出齿轮齿数为z = 3 3 ， 力频率为f = 尝3 3 = 5 5 h z 。 3 加载分析 设置频率范围o _ - 5 5 h z ，s u b s t e p = i ，算出在实际工况频率下激振力产生的响应， q u e r y 询问产生位移和应力最大处的节点。列出最大处的节点如表4 所示。 表4 产生最大位移处节点列表 节点位移产生处节点编号 ( ，x u y 移z 3 4 5 7 0 4 3 7 1 故相当于激振 通过r e s u l t s 重新设置频率范围和子步，看上述节点在不同频率情况下产生的位移和应力。频率范围设定为 8 h z 一1 0 0 h z ，子步s u b s t e p = 5 0 。图3 9 、3 1 0 、3 - 1 1 分别为上述节点在不同频率下的位移响应。 图3 - 9 节点3 4 5 处矽工的幅频响应曲线 图3 - 1 0 节点7 0 4 3 处，y 的幅频响应曲线 2 3 东南大学硕士学位论文 图3 1 1 节点7 l 处u z 的幅频响应曲线 图3 1 2 节点7 1 、3 4 5 、7 0 4 3 处三者的幅频响应曲线 4 谐响应结果分析 通过位移响应曲线很清楚的看出在1 2 5 h z 左右产生最大的振幅。根据图3 - 9 在激振频率f = 5 5 h z 时的位移响应u v = 0 0 0 0 8 m m ，而在频率f = 1 2 5 h z 时的位移u y = 0 0 2 6 m i ，共振时的位移是激振频率时 位移的3 2 5 倍，为防止共振的发生应该降低激振频率或增大低阶固有频率，因此必须提高系统的刚 度。 3 5 动力头箱体改进设计 根据上述分析结果，并考虑实际处理问题过程的技术手段，提出改进方案为：箱体厚度整体减少 2 m m ，两侧肋板厚度增加4 m m ，再对其进行谐响应分析，原节点7 0 4 3 位置附近处节点3 位移u v 响应 曲线如图3 - 1 3 所示。从新得到的位移响应曲线可知，改进居的箱体其共振振幅很小，只有原始结构 的4 7 。 通过上述分析可知，原钻机动力头箱体处在低的固有频率区段，而这频率范围也是柴油机的 常用转速频率范围，因此在箱体上产生较大的振动，即产生较大的交变应力门。同时通过对改进结 构分析可以得出，当箱体原始形状不变，箱体厚度整体减少2 衄，两侧肋板厚度增厚4 咖时，将在 2 4 第三章基于a n s y s 的动力头箱体的静动态特性分析 很大程度上降低振动振幅，减少共振频率，而且箱体整体重量也是下降的，因此从分析数据可知， 该方法是可行的，可以作为提高钻机箱体抗振性能设计、改进的有效手段，并在今后钻机设计、改 进中使用。 图3 1 3 箱体加厚2 衄后原节点7 0 4 3 位置附近处节点3 位移u y 响应曲线 3 6 本章小结 动力头箱体是钻机重要的零部件之，其强度、刚度和动态性能的好坏直接影响整机的工作精 度及寿命，因此对动力头箱体进行静、动态特性分析是必要的。依据箱体的结构分析，得出箱体在 实际工况下( 回拖时) ，其最大位移位于输出轴轴孔的外缘上方，位移方向为轴向，位移量为0 0 4 9 r a m 。 该数值较小；最大应力在输出轴孔的上方，为1 7 8 2 2m p a ，小于许用应力2 0 7 m p a ，说明箱体的强度、 刚度是满足要求的。由箱体的动态分析既谐响应分析结果可知，箱体的固有频率处在低的固有频率 区段，为避免共振，改善箱体的动态性能，对原有箱体进行结构改进，既箱体厚度整体减少2 r a m ，两 侧肋板厚度增厚4 m m 的设计改进，最后通过再次分析证明改进设计是行之有效的，大大降低了共振振 幅，改善了箱体的动态性能。为今后钻机进一步设计改进提供了一定的理论依据。 东南大学硕士学位论文 第四章大梁结构的瞬态动力学分析与优化设计 4 1 瞬态分析理论基础 4 1 1 瞬态动力学分析的定义 瞬态动力分析( t g 称时间历程分析) 用于确定结构承受随时问变化载荷时的动力响应。使用 这种分析方法可以得出在静态、瞬态及谐波载荷或由它们合成的载荷作用下，结构内部随时间变化 的位移、力和拉压应力。瞬态分析属于结构动力分析的范畴，它不同于静力分析，动力分析要考虑 随时间变化载荷以及阻尼和惯性的影响。如果惯性和阻尼在结构分析中可以忽略，问题就成为前面 所述的静力分析。 在有限元分析程序中所有的动力分析类型都是基于下述有限元系统的通用运动方程： 【 ，】 西 + 【c 】 西) + 【k 】 “) = f ( f ) ( 4 - 1 ) 其中： m 】是质量矩阵； l c l 是阻尼矩阵； l k i 是刚度矩阵； m 是节点加速度向量； m 是节点速度向量； m 是节点位移向量； i f ( f ) i 是随时间变化的载荷向量； 在任意给定的时间f ，方程( 4 1 ) 中的等式可以认为是一系列静态的方程式同时考虑了惯性力 阻】忙 和和阻尼力【c 】扛) 。在a n s y s 程序中使用n e w m a r k 时间积分的方法来求解这些时间点的等 式，相邻时间点之间的时间增值称为积分时间步长。 瞬态分析使用的模型与静态分析的模型没有根本区别，但瞬态分析对计算机和工程技术人员的 要求比静态分析要高，其中包括需要更多的计算和分析时间：可以利用以下方法减少瞬态分析的时 间： l 。在结构分析中尽量避免非线性，如果必须考虑非线性，应首先在静力分析中考察非线性对结 构的影响： 2 首先把握结构的动态特性，通过模态分析计算出固有频率和振型，进而知道结构在某一阶模 态被激起时的响应，固有频率还有助于正确计算积分时间的步长； 3 ，随非线性问题考虑用子结构代替模型中的线性部分，可节省分析时间。 4 1 2 瞬态分析求解方法 求解瞬态动力问题的方法有三种：完全瞬态动力分析方法( f u l l ) 、缩减法( r e d u c e d ) 和模态叠 加法( m o d es u p e r p o s i t i o n ) 。三种方法皆基于动力分析的通用方程( 4 1 ) 。 1 f u l l 法 这种分析方法是三种分析方法中最常用最强有力的方法。它使用完整的动力分析控制方程( 无 矩阵缩减) 。包括完整的质最矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，因此，它具有完整的非线性功能，包括塑 性、蠕变、大变形、大应变等。 f u l l 法具有以下的优点： ( 1 ) 容易使用，因为它无需考虑主自由度或振型的选择； ( 2 ) 允许各种非线性因素存在； ( 3 ) 使用全矩阵，没有质量矩阵近似的因素； ( 4 ) 在单步过程中即可计算出位移和应力； ( 5 ) 可以接收各种载荷：节点力、强制位移、单元力等； ( 6 ) 可以对实体模型施加合理的载荷； f u l l 法的主要缺点是比其它方法占用资源多和计算时间长。 2 r e d u c e d 法 r e d u c e d 法通过使用主自由度和减缩矩阵来压缩问题的规模。r e d u c e d 法首先计算主自由度的位 移，然后把结果扩展到所有的自由度。 r e d u c e d 法的优点是比f u l l 法节省时间和资源。 2 6 第四章大梁结构的瞬态动力学分析与优化设计 与f u l l 法相比r e d u c e d 法存在以下一些缺点： ( 1 ) 第一步只能解出主自由度上的位移，第二步才能得到完整的位移、力和应力的解； ( 2 ) 可以施加加速度，但不能直接在模型上施加单元力( 压强、温度等) ； ( 3 ) 所有载荷必须加在用户定义的主自由度上( 这限制了实体模型施加载荷) ； ( 4 ) 时间步长必须保持常量，不能设置自动时间步长： ( 5 ) 唯一允许的非线性是简单的节点与节点接触； 3 m o d es u p e r p o s i t i o n 法 m o d es u p e r p o s i t i o n 法是把模态分析求出的单独m o d es u p e r p o s i t i o n 起来计算结构的总响应，因 而模态分析必须先于其它任何求解步骤进行。 m o d es u p e r p o s i t i o n 法具有以下优点： ( 1 ) 它比r e d u c e d 法和全瞬态动力分析法运算速度快且节省资源； ( 2 ) 在模态分析中施加的单元力可以转换为瞬态分析中的载荷： ( 3 ) 它能接收模型中的阻尼。 m o d es u p e r p o s i t i o n 法存在以下的不足之处： ( 1 ) 时间步长必须保持常量，不能设置自动时间步长； ( 2 ) 唯一允许的非线性是简单的节点与节点接触； ( 3 ) 不可用浮动的或散开的结构： ( 4 )