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南京工业大学优秀毕业设计团队YZY400全液压静力压桩机设计总 结 报 告2005.7本届毕业设计课题为基础施工机械:全液压静力压桩机。我和王东方、洪荣晶、方成刚四位不同专长的老师,设定了九个子课题。设计内容分配如下图所示。其中,静压桩机调平系统,用智能化微机控制原理实现调平以及用CAE进行钢结构强度及应力计算二个子课题为创新课题。桩机的其它结构,也是在将社会同类型桩机结构进行了分析,将不合理的结构进行了改进而设计的。.现在的静压桩机基本上都是使用手动调平，费时费力，调平精度不高，我们提出了一种利用PLC可编程控制器实现自动调平的系统，依靠PLC的计算和逻辑判断功能来指挥支腿液压缸的收缩，从而实现自动调平。自动调平系统具有调平时间短，精度高，效率高，抗干扰能力强等优点。将调平系统应用于静压桩机能节省3个劳动力,且能在桩机工作过程中进行调平,有很好的经济意义和社会意义。当前的桩机大身结构均为经验设计,既不知道哪里应力最大,也不清楚这么样的结构刚度是否满足要求,相当盲目。有的生产厂家为了降低成本,顿位很大的桩机用很薄的钢板焊成大身结构,造成280T的桩机,当工作压力为178T时大身严重开裂。为此，我们用CAE进行钢结构强度及应力计算,使我们设计的桩机结构件不但知道哪里应力大,而且知道应力的分布状态,还知道应力的大小。做到科学合理。为了实现上述两创新课题的需要, 其它的子课题也要与之作相应的结构呼应和结构协调,如调平系统需电液联动,那么,电气控制系统必须提供它需要的24v电压及相应的系统要求并设置各种开关,在机体上还必须安排若干个限位开关;液压系统需安装四只TDV 4/3 EH型电液比例液控多路换向阀及相应的系统要求等等非常规设计。为此整个课题组的大协作共协调的局面就自然形成了。根据答辩情况来看, 总体结构布局是合理的;部件之间的衔接是正确的;设计的自动调平、自动行走及自动转弯均可完善的实现。结构件通过CAE计算, 最大应力在支腿与大身联接处, 这个结论与生产实际中老机型的应用损伤情况是吻合的, 可见, CAE计算方法是正确的。通过CAE计算, 最大应力为33Mpa, 远远小于许用应力。太偏安全, 不经济。要作为生产的产品,理应进一步修改没计, 但同学们毕业时间已到, 很愦憾！这次毕业设计是团队毕业设计, 所以小组所有成员之间的沟通和协商就显得非常重要。在此期间各位小组成员充分发挥了互相协商，互相合作的团队精神，在时间比较紧张的形势下，非常成功的完成了毕业设计的任务。每一个人都付出了艰辛的劳动、流下了辛勤的汗水，同学们通过毕业设计都各有各的丰厚收获, 现抄录几段学生的体会: “这不仅仅是我们四年所学知识的体现，而且，我们在做毕业设计的过程中还学到了工作时的做事方法;很多做人的道理，懂得了无论是以后工作还是做人都要认真负责、踏踏实实、一步一个脚印，毕业设计带给我们的不仅是成功的喜悦，还有和团队一起工作的方法与团队协作的精神； “从毕业设计中，我学到了宝贵的知识，这些知识值得我用一生来珍惜。”1. 静压桩机的概况1.1 静压桩机的总体介绍 YZY400型静压桩机的构造:它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。1.1.1 长船行走机构 为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接。缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。1.1.2 支腿平台结构 该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。1.1.3 夹持机构与导向压桩架该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。1.1.4 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落 地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。1.2静压桩机的优点：1.2.1 在施工时无噪音。适合对噪音有限制的市区作业，尤其是在城市居民区、学校教育区、医院疗养区、重要机关附近施工。1.2.2 施工时无振动。压桩所引起的桩周围土体隆起和水平挤动，比打入桩要小，适用于危房、精密仪器房及江河岸边、地下管道较多的地区施工。1.2.3 静压桩的施工应力比打入桩小，可节约钢材和水泥，降低成本。并可适当提高砼身承载力。1.2.4 压桩力及桩段入土动态能自动记录和显示，桩的承载力比较有保证，对压桩力可以控制，确保工程质量。1.2.5 施工速度快、工效高、工期短。单机每台班可完成1215根桩的施工，送桩入土深度较深且送桩后桩身质量较可靠。桩的长度不受施工机械的限制。1.2.6 适宜于较软土层，尤其是持力层起伏变化大的土层施工。也适宜于覆土层不厚的岩溶地区。这些地区用钻孔桩很难钻进，用冲击桩易卡锤，用打入桩易打碎，只有静力压桩是慢慢地压入并能显示压入阻力，收到了较好的技术经济效果。1.2.7 由于压桩机的工作高度不高，重心底，所以机器的施工操作和保养较为方便，并可避免高空作业中有不安全的因素。桩机作业人员少，劳动强度低，施工文明。整机拆、运、装十分方便。2 . 桩机的调平系统调平的方案，大致可以分为两类：1.基于单片机的自动调平系统。2.基于PLC的自动调平系统。本文主要是考虑到抗干扰和设计的简便，决定采用PLC作为调平系统的计算机。使用PLC，接线方便，易于编程，抗干扰性强。而使用单片机，连线比较复杂，编程较PLC比较繁琐，系统地抗干扰能力较弱。随着计算机技术的飞速发展，会有越来越先进的调平技术和调平原理出现。我们提出了一种利用PLC实现自动调平的系统，依靠PLC的计算和逻辑判断功能来指挥支腿液压缸的收缩，利用TDV 4/3 EH型电液比例液控多路换向阀,实现电液转换;利用倾角传感器传遽机身的水平状态从而实现自动调平。自动调平系统具有调平时间短，精度高，效率高，抗干扰能力强等优点。将调平系统应用于静压桩机具有很好的经济意义和社会意义。 2.1系统参数(1) 系统工作电压：830VDC(2) 液压系统最大流量：100L/min,工作压力：25Mpa. (3) 调平倾斜度范围: 3(4) 双轴传感器调平精度 :0.5 (5) 调平系统支腿安全压力:1525Mpa. (6) 系统适用温度范围：-2050 2.2 静压桩机自动调平系统设计2.2.1 多油缸同步控制系统设计由于静压桩机在工作和行走过程中要保持平台的水平，而平台的升降是由油缸驱动执行的，所以要保证平台的水平就需要驱动平台的多个油缸实现同步控制。多油缸同步控制系统由同步检测子系统、同步控制子系统和电液实现子系统三大子系统组成，确定油缸同步控制方式的步骤如下：根据同步缸数量、行程和同步要求确定同步子系统检测方式（接触式或非接触式）、检测方法(绝对或相对检测法)、检测量(位移量或速度量等)和检测结构(传感器的布置和选择等)；由检测系统确定同步控制子系统中的控制方式(单片机控制,控制或工控机控制等)和控制基准量(检测量的最大值,平均值等)；由同步要求确定电液实现子系统的方式选择(主动补偿式,进油调控式等)；最后确定同步控制子系统的控制策略的选择(模糊控制,控制,模糊-等)。根据液压系统的设计结果可知，本系统选用了四缸同步系统，其同步系统示意图如下图所示。四缸同步系统研究的现状如下:四缸同步系统示意图(1) 采用相对检测法,选定检测基准油缸(下称基准缸),测量出其他三个缸的相对位移误差值。(2) 利用光栅传感器作为检测元件,光栅定尺在基准缸的结构布置较为复杂。(3) 采用的电液实现系统只能对相对位移滞后的缸进行补偿,不具普遍性。(4) 控制策略单一,不具备比较性。基于上述情况，本系统的控制方案初步选定如下：选择四缸中的某一缸作为基准缸，采用倾角传感器测量平台的倾斜程度；将此倾角偏差值送入PLC系统的模拟量输入模块，通过PLC的CPU进行运算得出油缸的同步误差大小；PLC系统根据油缸的同步误差大小调用内部的PID控制子系统实现控制信号调节；调制后的控制信号由PLC模拟量输出模块送到伺服放大板上进行功率放大，最后驱动电液实现子系统，使四缸保持同步。根据上述选定方案可知，本油缸同步系统需要倾角传感器、电液比例液控多路换向阀、PLC等元器件，下面简要介绍这些元器件的选型。2.2.2 油缸同步跟踪系统的建模系统的控制策略已经在上一章进行了介绍，简要的说，就是选取四缸中的某一缸为基准缸，其它三只缸跟踪基准缸随动。下图表示了某缸跟踪基准缸随动示意图，假设左边为基准缸，当右边缸与左边缸不同步时，倾角传感器产生电信号经过变送器送如PLC的A/D处理模块，PLC的CPU对倾角误差进行线性化处理、PID调节后送入PLC的D/A处理模块，D/A调理后的信号经过伺服放大板驱动电液比例阀的阀芯运动，从而调节油缸运动速度的快慢，保持两个油缸的同步。下面给出两缸同步跟踪的数学模型： 某缸跟踪基准缸随动示意图电液比例阀的线圈回路传递函数为电液比例阀的传递函数执行元件（油缸）的传递函数没有弹性负载的四通阀控制油缸简化传递函数为：若忽略信号变送器、A/D模块及D/A模块等环节的时间常数，可得系统的传递函数框图为 同步跟踪系统的传递函数框图为了使整个跟随系统能获得较好的动、静态性能（如良好的阶跃响应特性，斜坡响应特性），系统采用工程调节中广为使用的PID调节器。2.2.3 PID控制原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。 比例积分微分控制包含比例、积分、微分三部2.2.4 系统硬件设计2.2.4.1 根据调平原理分析控制要求 (1).传感器的布置，见下列图，用三个传感器将四个支腿连接在一起， 腿1通过pid程序和腿2始终保持水平和同时动作， 腿3通过pid程序和腿2始终保持水平和同时动作， 4腿通过pid程序和腿3始终保持水平和同时动作， (2).按下自动开关，系统进行自动调平，并在工作的时候始终保持机体水平，监视整个机体的情况，发生倾斜即进入调平程序。 (3).若四个调平支腿中任何一个支腿碰到下限位开关，自动调平系统停止，整个机体上升，四个换向阀全开，5s后停止上升。进入自动调平程序。 (4).四个调平支腿中任何一个支腿碰到上限位开关，自动调平程序停止，整个机体下降，四个换向阀全开，5s后停止下降。进入自动调平程序 (5).按下停止按钮，自动调平程序和手动程序全部停止，换向阀中位。液压回路锁定。 (6).自动调评程序执行过程中，手动调平按钮失效。手动调平程序执行过程中，自动调平按钮失效。 (7).整个机体水平，绿灯亮，机体倾斜，红灯亮 (8).调平误差0.5度以内。 (9).三相电动机的控制，按下电动机启动按钮，继电器1，2吸合，延时8s，继电器2断开，延时2秒，继电器3吸合。按下电动机停止按钮，继电器1，2，3全部断开。(10).按下撤收按钮，四个换向阀全开，当四个支腿碰到各自的下限位开关停止。2.2.4.2 根据控制要求确定用户所需要的输入/输出设备，确定PLC的I/O点数输入设备:1.腿1下限位开关2.腿1上限位开关3.腿2下限位开关4.腿2上限位开关5.腿3下限位开关6.腿3上限位开关7.腿4下限位开关8.腿4上限位开关9.手动控制按钮-腿1伸10.手动控制按钮-腿1缩11.手动控制按钮-腿2伸12.手动控制按钮-腿2缩13.手动控制按钮-腿3伸14.手动控制按钮-腿3缩15.手动控制按钮-腿4伸16.手动控制按钮-腿4缩17.自动控制按钮18.手动控制按钮19.油泵1输入20.油泵2输入21.传感器1输入22.传感器2输入23.传感器3输入输出设备：1.红灯2.绿灯3.油泵1控制（3点）4.油泵2控制（3点）5.伺服阀1左继电器7.伺服阀1右继电器8.伺服阀2左继电器9.伺服阀2右继电器10.伺服阀3左继电器11.伺服阀3右继电器12.伺服阀4左继电器13.伺服阀4右继电器通过以上的统计，该系统总共有23个输入，16个输出。2.2.4.3 选择PLC 该系统总共有数字量输入20点，模拟量输入3点，数字量输出8点，模拟量输入8点CPU选择：选择西门子S7-200 CPU224,详细资料请参阅说明书。扩展模块：数字量扩展数字量输入输出模块EM223（1）EM 223 24V DC 16 输入/16 输出和 EM223 24V DC 16 输入/16 继电器输出 2.2.4.4 分配i/o点，设计I/O连接图 输入腿1下限位开关腿1上限位开关腿2下限位开关腿2上限位开关腿3下限位开关腿3上限位开关腿4下限位开关腿4上限位开关手动控制按钮-腿1伸手动控制按钮-腿1缩手动控制按钮-腿2伸手动控制按钮-腿2缩手动控制按钮-腿3伸手动控制按钮-腿3缩手动控制按钮-腿4伸手动控制按钮-腿4缩I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I2.0I2.1I2.2自动控制按钮手动控制按钮油泵1输入油泵2输入传感器1输入传感器2输入传感器3输入I2.3I2.4I2.5I2.6AIW0AIW2AIW4 输出：红灯绿灯油泵1控制油泵1控制油泵1控制油泵2控制油泵2控制油泵2控制伺服阀1左继电器伺服阀1右继电器伺服阀2左继电器伺服阀2右继电器伺服阀3左继电器伺服阀3右继电器伺服阀4左继电器伺服阀4右继电器Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7AQW0AQW2AQW4AQW6AQW8AQW10AQW12AQW142.2.5 系统软件设计2.2.5.1 根据控制要求编写设计流程见图纸2.2.5.2 根据设计流程编写程序：见附录 3.电器控制系统设计 液压静压桩机采用了液压系统作为动力来进行压桩工作，因此电控系统的主要任务是对液压及其控制系统进行控制。电控系统设计又可分为强电部和弱电两个部分：强电部分主要控制液压站的主电机运转；弱电部分由可编程控制器PLC进行控制，控制内容包括主电机运转指令的给出，调平系统的运行控制等。根据液压系统的设计计算可知，系统的供油回路由两个泵组成，其驱动电机的功率分别为75KW（泵1）、220KW（泵2）。一般地，压桩机工作环境可以提供三相380V电源，所以液压系统的电机采用三相380V普通交流异步电机。三相笼式电机直接起动的控制线路简单，维修工作量小，但在起动时的电流约为额定电流的47倍。对于本系统采用的两台大容量电机，如果采用直接起动会引起电网电压降低，电机转矩减小，甚至起动困难，而且还影响同一供电网中的其它设备，因此采用降压起动，以保证起动时供电母线上的电压降不超过额定电压的10%15%。工程实际中常用的降压起动方法通常有星三角降压起动、定子串电阻降压起动和自耦变压器降压起动等。由于4KW以上的三相笼式异步电动机定子绕组在正常工作时都接成三角形，因此可以采用星三角降压起动。考虑到星形直接起动的电流仍然很大，在星形起动过程中进一步采用自耦变压器进行降压起动。起动时，电源电压加在自耦变压器的一次绕组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的二次绕组相连，当电动机的转速接近额定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相连，在正常的三角形方式下运行。在电机星三角起动过程中需要进行延时切断，传统电路一般采用时间继电器进行控制，而本系统的弱电控制系统采用了可编程控制器，因此可以直接利用PLC的软件延时继电器来进行控制，从而省去了传统的控制元件，节省了安装空间，也提高了控制的可靠性。另一方面，在星三角转换起动中，为了防止交流接触器同时通电的意外情况发生，系统不仅在PLC中采用了星三角转换互锁，而且在硬件上（交流接触器的辅助触头）也采用了互锁控制，以保证电器系统工作的可靠性。系统的控制电路采用西门子PLC（S7200），控制信号电压为24V，因此系统中增加一个开关电源，以满足各数字量I/O、模拟量I/O以及伺服放大板的需要。根据上述设计方案可绘制出系统的控制原理图。见毕业设计图纸。3.大身结构的CAE分析3.1大身结构的有限元模型 有限元分析（FEA）是利用数学近似的方法对真实物理现象（几何及载荷工况）进行模拟的一种分析方法，也是目前求解工程问题中最为流行的数值计算方法。其基本思想是将一个连续的求解域离散化，即通过网格划分将求解域分割成彼此用节点互相联系的有限个单元，在单元体内假设近似解的模式，用有限个节点上的未知参量表征单元的特性，将各个单元的关系通过适当方法，建立组成包含节点未知参数的方程组，求解方程组，得出各节点的未知参数，利用插值函数求出近似解，是对真实情况的一种数值近似。本课题应用大型有限元分析软件ANSYS对大身结构进行分析，分析步骤为 如图1所示。图1 ANSYS计算分析过程流程图3.2 三维实体建模与有限元分析模型 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，因此有限元分析的第一步就是必须针对一个物理原型建立准确的数学模型。有限元模型的来源主要有下面四种方法：在有限元软件的前处理器中进行几何建模，再划分网格得到；从实体建模软件中引入几何模型，经修改模型和划分网格而得到；直接创建节点与网格；引入有限元模型。其中、种方法一般只适合于小型结构分析，然而，现今几乎绝大部分的有限元分析模型都用实体模型建模，对于大型复杂结构、种方法建模比较困难，目前较为流行的方法是，大型结构的有限元模型一般先通过实体建模软件建立，经适当的格式转换成为有限元分析模型。即用数学的方式表达结构的几何形状，在几何模型里面填充节点和单元，还可以在几何模型上方便地施加载荷和约束。但是几何实体模型并不参与有限元分析，所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型的节点或单元上进行求解。三维实体建模与有限元分析的关系如图2所示。图2 三维实体建模与有限元分析的关系YZY400型静压桩机大身结构全部由钢板焊接而成，是复杂的空间箱型体系。根据有限元分析的特点，在建模时进行一些必要的模型简化，即略去一些功能件和非承载件，对于结构上的孔、台阶等尽量简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。图3 YZY400型静压桩机大身结构有限元分析模型根据大身结构的特点，在进入ANSYS软件进行分析之前，首先通过Pro/E实体建模软件构件大身结构的三维实体模型，并将几何模型导入ANSYS软件， 利用ANSYS软件自动网格划分功能，定义单元类型为四面体实体单元（Solid93），划分网格，在支腿支处施加边界约束，在立柱联接板处施加压桩载荷，建立YZY400型静压桩机大身结构有限元分析模型如图3所示。网格划分后生成单元总数为283,271，节点总数为337,125个。3.3大身结构强度分析3.3.1 材料参数参数名数值单位杨氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.33.3.2 载荷分析在建立正确的车身骨架有限元分析模型的基础上，加载边界条件，并根据实际载荷配置情况，对大身结构进行静强度计算分析。大身结构所受载荷包括自重载荷和压桩时的工作载荷，根据静压桩机的工作特点，并考虑到动载荷的影响，取计算载荷为480000kN。图4 加载后的有限元分析模型由于有限元法中内力或外力均由节点传递，在整体刚度矩阵中的载荷项均为节点载荷。因此，将上述载荷作为集中或均布载荷施加于模型中相应节点上，形成节点载荷，在大身四个支腿处施加约束并求解，进行静态分析。加载后的有限元分析模型如图4所示。3.3.3 计算结果建立有限元分析模型后，进入ANSYS求解器进行静态分析求解。计算结果如图5图8所示。图5 大身结构总体变形云图图5所示为大身结构总体变形云图，由图中可以看出，结构最大变形发生在联接立柱处，变形量约为0.81mm，说明结构刚度条件满足要求。图6所示为大身结构合成应力云图。图7为大身结构底面合成应力云图。图8为大身结构支腿处应力云图。由图8显示出，大身结构最大应力部位在支腿与大身的联接处，这与实际相符（曾有该种类型某型号静压桩机在该处发生断裂）。图6 大身结构合成应力云图最大应力部位最大应力值约为34MPa，说明结构设计偏保守，应进一步改进结构，对结构进行优化，使大身结构受力更加合理。图7 大身结构底面应力云图图8 大身结构支腿处应力云图YZY400静力压桩机设计开发大身结构有限元应力、强度分析1 绪论1.1液压静力压桩机的发展概况 纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从20世纪70年代后期到90年代中期，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市场。其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的YZY系列液压静力压桩机和利用中南大学(原中南工业大学)智能机械研究所的专利技术生产的ZYJ系列液压静力压桩机。在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设计问题，满足了静压桩的基本功能。但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，实际使用的最大压桩力不足4000kN，绝大部分的压桩力为1 6002400kN；功能单一，主要应用于施工现场预制的截面尺寸为(300 mm X 300 mm)(400mm X 400mm)的钢筋混凝土方桩(实心件)的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1400kN以下。而预应力管桩和高强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工。进入20世纪90年代中期以后，液压静力压桩机进入第二发展阶段。由于1994年底在珠海利用液压静力压桩机将直径500 mm的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工程施工中许多必须解决的实际问题。这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善，生产厂家也急剧增多，至今在全国约有30个制造厂。其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产能力最大，2003年共生产125台，占全国年总产量的30%40%。目前的生产能力达到每月15台，年生产能力在180台左右，已形成压桩力为80010000kN的完整的产品系列，生产的最大吨位机型为ZYJl000。1.2液压静力压桩机的发展趋势随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。其发展趋势可归纳如下： 1.进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。在较厚硬隔层地质条件下施工时，设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上。 2.智能化操作与施工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。 3.异型桩夹持装置的刀发。特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。 4.压桩力大、质量轻机型产品的开发。特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发月的新领域。 5.适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。 6.产品向高档次、高可靠性方向发展。1.3静压桩机概述随着液压技术的发展，我国在20世纪70年代开始研制生产静压桩机。采用静压桩机将桩逐段压入土层中具有如下明显的优点。 1.在施工中无振动、无噪声、无污染，在城市居住密集区施工有明显的优越性o2.油于桩是通过静力压入土层，桩没有受到锤击桩时所引起的拉伸应力波的冲击，因此桩内的钢筋配置和混凝土的强度均可比柴油锤锤击桩要小，这样可节约桩的工程成本。经统计，与打击桩相比，静压桩可节约钢材47，水泥12。3.采用柴油锤打桩，桩周边土壤有一定程度的“液化”，因此，桩要经过一段时间“休息”后，才具有真实的承载力，静压桩在施工中不会对桩周边土壤产生较大的干扰，所压入桩的最终压力基本上体现了桩的实际承载力，因此施工完成后根据压人过程的压力曲线可迅速计算出桩的实际承载力。 4.基本上无断桩。5.可以直接用静压校机对桩进行静载试验。虽然静压桩有上述优点，但由于静压桩机要配有较多的配重，整个机器的拼装、运输及工作效率仍然比打击桩低，所以目前仍不如柴油锤打击桩与钻孔桩普及。但随着城市的发展，对噪声及泥浆污染进行越来越严格的限制，静压桩机必将越来越受到市场的重视。1.4 YZY系列静压桩机的构造与工作原理YZY400型静压桩机的构造: 它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。 1支腿平台结构 该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。2长船行走机构 为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接。缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。3. 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落 地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。4夹持机构与导向压桩架 该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。1.5大身结构总述大身是整台液压静力压桩机的重要组成部分，一方面它承受着整个压桩机除行走（或支撑）部分的全部重量，并使桩机的起重机、压桩结构能够协调的工作。另外，它连接了桩机上部结构与下部结构，使本来不能移动的上部结构能够通过下部结构行走、移位。因此，大身结构设计将直接影响整个桩机的操作性能、工作性能。1.6大身结构的设计原则(1) 满足刚度、强度、稳定性要求众所周知，大身是整台桩机重要组成部分，桩机的上部结构包括驾驶室、立柱、起重机、配重等都作用在大身上。而且，这些重量巨大，因为压桩机的自重决定了最大的压桩能力。所以在大身结构设计时一定要考虑其强度。另外，如果大身结构刚度不够，在打桩时大身就会产生较大的变形。这必然会影响打桩的精度，如使桩机无法对准桩位或者使桩在压入时造成倾斜而造成作业无效。(2) 大身结构与相关的部件在尺寸上的协调与大身相连的结构有立柱、大船（横向）、小船（纵向）及驾驶室、支腿、支柱和油箱、泵、电机构件。大身的结构设计一定要使这些部件能合理布置。(3) 方便操作 大家知道,整台液压静力压桩机的有效部件都是布置在大身上的。在大身结构设计时一定要考虑各部件操作时连续性与合理性。因此，在结构设计时要考虑桩机操作性能。(4) 方便维修（可维修行）在设计时要考虑万一所设计的部件出现故障或者相关部件出现故障后可维修性。如果所设计的结构不具有可维修性，而因结构的一点小故障而葬送整个结构，这样的结构设计也是不合理的。(5) 经济性现在是市场经济时代，效益是生存之本。怎样获取高的效益，当然是在满足要求的情况下获得最简单的结构设计，获取最大的经济效益。.7 本毕业设计（论文）的主要工作（1）了解分析全液压静力压桩机的结构与原理；（2）运用CAD画出全液压静力压桩机大身结构主要零部件的图纸；（3） 根据大身的结构特点，应用大型有限元分析软件ANSYS，建立大身结构有限元分析模型，求解它在工作状态下的应力情况以进行必要的强度分析； （4） 如果分析所得最大应力超过了材料的许用应力，则对设计方案提出改进意见。2 有限元理论概述 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法,是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具,最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术；后来由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到广泛的应用，因此，在工科院校和工业界受到普遍的重视。 在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部荷载的不规则性，求得解析解却是很困难的。因此，寻求近似解法就成了必由之路经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。 差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值(差分网格上的点)。但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了。 有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域(单元)所构成，其模型给出基本方程的分片(子域)近似解。由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。在实际研究中我们常常把复杂系统分解成性态容易了解的单个元件或“单元”，研究其性态，再将这些元件重建原来的系统以得到整体性态。这是工程技术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。有限元的基本思想，可以从两个不同的角度去理解，但其实质却是一样的。一种是朴素的，实质上是工程的推想：把一个连续的弹性体（或是结构）简化为由若干个离散的元素组合而成的等效组合体。而整个结构又是由有限个数目的元素组合而成的，当然也可以用有限个参数来加以描述。所以它的基本方程式将是一个代数方程组，在数学上属于离散体系。即用代数方程组来取代描述真实弹性体的微分方程组，在求解时当然极为有利。另一方面，从数学的角度来看，有限元是求解数学物理方程的一种数值方法。在有限元中，测试函数要“分片地”选取。这就是说：首先把整个域划分成若干“子域”，然后分别在子域上选取测试函数，并要求这些测试函数在各个子域内部，在子域之间地分界面上（称为内部边界）以及子域与边界地分界面上（称为外部边界）有均满足一定的条件（譬如位移协调或应力平衡）2.1 有限元基本理论2.1.1 有限元理论的基本思想 (1) 假想把连续系统(包括杆系，连续体，连续介质)分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点(称为节点)处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷(或边界条件)，代替实际作用于系统上的外载荷(或边界条件)。 (2) 对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则(由力学关系或选择一个简单函数)建寸求解未知量与节点相互作用(力)之间的关系(力位移、热量 温良、电压电流等)。(3) 把所有单元的这种特性关系按一定的条件(变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理)集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量(位移、温度、电压等)为未知量的代数方程组，求解之就得到有限个节点处的待求变量。所以有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。2.1.2 有限元理论的特点 有限元方法应用于大量问题，既包括结构问题，也包括非结构问题。这种方法有很多优缺点，因而变得很普遍。这些优缺点包括：（1）可以很容易地模拟不规则形状的结构。（2）可以毫无困难地处理一般的载荷条件。(3)因为单元方程是单个地建立的，因此可以模拟由几种不同材料构成的物体。(4)可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。(5)单元的尺寸大小可以变化，必要时可使用小单元。(6)改变有限元模型比较容易，花费不大。(7)可包括动态作用。(8)可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。结构有限元分析使设计者能在设计过程种探知应力，振动和热应力问题，能够在构造样板之前对设计更换做出估计。因此，对样本可以接受的信心就增强了。此外，如果用得适当，有限元方法还可以减少必须建造的样板的数量。虽然有限元方法开始时是用于结构分析的，它已被修改可适用于工程和数学物理领域的其他学科，如流体流动，热传导，电磁电位，土力学和声学 (9) 概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导 (10) 适应件强，应用范围广泛。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法(如有限差分法)求解困难的问题、如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非均质、非线性材料问题，动力学问题等。目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展。今后将更加完善和使用范围更加广泛。 (11)有限无法采用矩哭杂阵形式表达，便于编制计算机程序可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINAANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。(12)有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制(或具有)计算机程序，必须运用计算机求解；另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已不再困难。对于后一缺点可通过用计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或全部地解决。2.1.3 有限元的前后处理 一般来讲，有限元法的分析过程包括以下几步：(1) 计算模型的几何部分，数据生成和数据淮备；(2) 计算分析；(3) 计算结果的分析、整理和图形显示。有限元发展初期，第(1)步和第(3)步工作都是由人工来做的，既耗费时间又容易出错。有统计资料表明，由手工剖分有限元计算模型，其工作量占到整个有限元分析过程工作量的45%。用人工分析有限元计算结果则要占整个工作量的50，而计算分析由于是计算机完成，工作量只占全部工作量的5。以第(1)步工作为例首先要将所分析的模型按一定的比例放大或缩小地画在坐标纸上，其次按所选定的单元形式对它进行剖分，按一定的顺厅编单元号和节点号。然后，准备各种数据以供有限元分析之用。这些数据主要有： 节点信息包括节点编号和节点的二维或三维坐标； 单元信息包括单元编号及单元中节点号的排列顺序； 材料信息包括计算模型的材料性质(弹性模量、泊松比、比热、导热系数等)； 载荷信息包括计算模型所受负载信息(集中力、体积力、表面力、温度、压力等)； 约束信息包括计算模型的初始条件和边界条件。最后还必须将所有这些数据一一输入计算机。有限元分析的前处理就是使计算模型的集合部分、数据生成和数据输入这部分工作部分或完全由计算机自动完成。而有限元分析的后处理则是将有限元计算结果由计算机整理成易于阅读或分析的数值或图形形式。2. 1. 3. 1有限元分析的前处理技术 有限元法的前处理主要有下列内容：(1)计算模型的几何表示；(2)模型网格的自动剖分；(3)刚度矩阵的带宽优化；(4)模型网格图的计算机绘制。2. 1. 3. 2 有限元分析的后处理技术有限元的计算结果是大量的数值数据从打印的数值结果中很难直接分析计算结果是否正确，是否合理，甚至看不出是否得到了预期的结果。例如结构强度分析问题，计算结果是节点位移值和应力值，位移值表示结构的变形应力值可分析结构的安全性。但从成干上万的位移数据和应力数据中是看不出结构的变形情况和应力分布情况的。因此，必须对有限元计算结果进行再分析、再处理。2.2 ANSYS软件简介有限单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的如SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、ALGORFEM等。本论文中所用的是ANSYS软件，在此只对ANSYS软件进行简要介绍。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。自1970年美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士开发出ANSYS以来，在30多年的发展过程中，ANSYS不断改进提高，功能不断增强。2.2.1 ANSYS主要技术特点ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：（1）数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。（2） 强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力、仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型。（3）强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。（4）强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。（5）智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。（6）良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案；利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化寻求物体对材料的最佳利用。（7） 可实现多场耙合功能。ANSYS可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场间的相互影响。（8）提供与其他程序接口。ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换、如PPro/Engineer、NASTRAN、Algor-FEM、IDEAS、AutoCAD、Solidworks、Parasolid等。（9）良好的用户开发环境。ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL、UIDL和UPFS对其进行二次开发。2.2.2 ANSYS主要功能1结构分析 结构分析用于确定结构在荷载作用下的静、动力行为，研究结构的强度、刚度和稳定。2热力学分析热力学分析用于分析系统或部件的温度分布，以及其他热物理参数，如热梯度、热流密度等。3流体分析流体分析用于确定流体的流动及热行为。4ANSYS电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流能耗及磁通量泄漏等。5耦合场分析 耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。当两个物理场之间相互影响时，单独求解一个物理场得不到正确结果，因此需要将两个物理场组合到一起来分析求解。ANSYS中可以实现的耦合场分析包括；热一结构、磁热、磁一结构、流体一热、流体一结构、热一电、电一磁热流体一结构等。本论文中仅仅用到结构分析当中的静力分析和模态分析。其中静力分析是用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特性。例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。模态分析是计算线性结构的自振频率及振形。 2.2.3 ANSYS一般分析步骤ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。1前处理 定义工作文件名 设置分析模块。定义单元类型和选项。定义实常数。定义材料特性。建立分析几何模型。对模型进行网格划分。施加荷载及约束。2求解计算选择求解类型。进行求解选项设定。3后处理从求解计算结果中读取数据。对计算结果进行各种图形化显示。可对计算结果进行列表显示。进行各种后续分析。 全液压静力压桩机大身的建模与分析.1 YZY系列静压桩机的构造与工作原理YZY400型静压桩机的构造: 它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。 1支腿平台结构 该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。2长船行走机构 为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接。缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。3. 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落 地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。4夹持机构与导向压桩架 该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。3.2 载荷分析3.2.1 约束部分（1）四个支腿全约束; （2）油缸结合面3.2.2 载荷部分 大身上表面4000000N(均布)3.3 有限元模型建立材料参数参数名数值单位杨氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.3ANSYS提供了多种单元节点生成的方法，这里我们采用ANSYS网格内部自动划分功能,得到337,125个节点,283,271个单元。生成的有限元模型如下：把所有的约束与载荷加在此模型上得到下面的图：3.4全液压静力压桩机的强度分析其所受的变形图如下：应力分布图如下：底面应力分布如下：应力分布及其变形图如下： 支腿应