旋挖钻机桅杆的优化设计

旋挖钻机桅杆的优化设计,学院：机械工程学院姓名：高乾晟学号：G601010130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：ANSYS2、材料特性：材料：16Mn钢材料密度：7850kg/m3弹性模量：206GPa泊松比：0.3屈服强度：320MPa3、单元类型：solid924、确立各基本尺寸,二、桅杆的建模,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=200KNP=F/S也可求。命令流：F=200E3A1=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,ALLDA,7,ALLNSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALL施加均布载荷PNSEL,S,LOC,Z,-H1SF,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,P3SFA,22,1,PRES,P4NSEL,S,LOC,Z,-H1SF,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、桅杆的优化,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,VOLUSSUM*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,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%。,四、桅杆的优化,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%,五、结论,本文采用流行的工