邱旭民
(河源技師學(xué)院,廣東河源 517000)
隨著我國建筑業(yè)的大力發(fā)展,建筑機(jī)械得到非常好的發(fā)展,用于建筑結(jié)構(gòu)施工的大型機(jī)械裝備得到了廣泛的應(yīng)用。壓樁機(jī)的主要作用是將建筑物地底下的預(yù)制樁壓入地里面,提高建筑物地基的強(qiáng)度[1]。
為了進(jìn)一步提高壓樁機(jī)的工作效率和節(jié)約制造成本。需要對它的導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。它的優(yōu)化設(shè)計主要包括形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及目前應(yīng)用非常廣泛的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,這些優(yōu)化方法都是通過將力學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合所得到的。本文將通過對導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,以及對它的工作過程進(jìn)行分析,使用AN?SYS Workbench軟件對它進(jìn)行靜力學(xué)分析[2]、模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計[3]。
壓樁機(jī)導(dǎo)向架的各部分板料是通過板料焊接連接的,在局部地方有一些螺紋孔、走線孔、油孔等,其結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜。由于這些結(jié)構(gòu)對壓樁機(jī)導(dǎo)向架的整體就強(qiáng)度和剛度的影響非常小,因此,在進(jìn)行壓樁機(jī)導(dǎo)向架有限元分析過程中忽略結(jié)構(gòu)中的焊縫、圓角、孔等特征。簡化后的壓樁機(jī)導(dǎo)向架三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
圖1 壓樁機(jī)導(dǎo)向架模型
通常壓樁機(jī)都是在一些工作環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下工作,因此,壓樁機(jī)導(dǎo)向架的材料都是使用45#鋼[4]。它的彈性模量為E=2.1×105MPa, 泊 松 比 為 μ=0.3, 密 度 為ρ=7.85×103kg/m3。通過觀察可以得知它的總體尺寸為1 502 mm×1 037 mm×2 430 mm ,總質(zhì)量為2 472.75 kg。采用ANSYS Workbench的智能劃分方法,劃分后節(jié)點總數(shù)為53 626,單元總數(shù)為23 159。
壓樁機(jī)導(dǎo)向架通過螺栓連接固定在機(jī)身本體上,然后滑動軸套固定在導(dǎo)向架上,滑動軸在液壓缸的帶動下載滑動軸套中上下滑動。對壓樁機(jī)導(dǎo)向架的加載約束可以簡化成導(dǎo)向架的前、后導(dǎo)向板通過滑動孔固定在機(jī)身本體上,蓋板承受液壓缸的驅(qū)動部分豎直向上的載荷。壓樁機(jī)導(dǎo)向架的受力情況可簡化為圖2所示,其中載荷Fx=500 N,F(xiàn)Z=5 000 N。
圖2 導(dǎo)向架的載荷與約束
根據(jù)壓樁機(jī)的工作環(huán)境,對它的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕玫剿娜S結(jié)構(gòu)模型[5],并導(dǎo)入ANSYS Work?bench軟件中。對壓樁機(jī)導(dǎo)向架進(jìn)行單元類型選擇、網(wǎng)格劃分等得到如圖3所示的有限元模型。
通過將壓樁機(jī)導(dǎo)向架的滑動孔固定,并向它的頂板施加合理的載荷,得到它的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖如圖4所示。由壓樁機(jī)導(dǎo)向架的總變形云圖可知,它的最大變形量發(fā)生在蓋板上,大小為0.58 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓樁機(jī)導(dǎo)向架的許用變形值。同時由壓樁機(jī)導(dǎo)向架的等效應(yīng)力云圖可知,它的最大應(yīng)力發(fā)生在蓋板的滑動孔上,應(yīng)力大小為72.79 MPa,遠(yuǎn)小于45鋼的屈服極限355 MPa,則表明它在工作過程中滿足剛度強(qiáng)度要求。
圖3 壓樁機(jī)導(dǎo)向架有限元模型
圖4 壓樁機(jī)導(dǎo)向架的總變形、等效應(yīng)力云圖
根據(jù)壓樁機(jī)導(dǎo)向架的靜力學(xué)分析結(jié)果,可知它的設(shè)計滿足要求。為了更好地提高壓樁機(jī)導(dǎo)向架的工作性能,對壓樁機(jī)導(dǎo)向架模態(tài)分析[6]。根據(jù)實際工作情況建立壓樁機(jī)導(dǎo)向架的動力微分方程,得到它的動力學(xué)微分方程為:
其中:[M]為導(dǎo)向架的質(zhì)量矩陣;
[K]為導(dǎo)向架的剛度矩陣;
{x}為導(dǎo)向架的位移向量。
根據(jù)壓樁機(jī)導(dǎo)向架的工作特點,使用無阻尼自由振動方法可以很好地計算出它的固有頻率,則可將微分改寫成下式:
其中:{}θ0為壓樁機(jī)導(dǎo)向架各節(jié)點的振幅向量;
ω為壓樁機(jī)導(dǎo)向架的固有頻率;
φ為相位角。
當(dāng)壓樁機(jī)導(dǎo)向架發(fā)生無外界激勵的振動時,焊接機(jī)器人的頻率方程為:
式(3)是壓樁機(jī)導(dǎo)向架的無阻尼自由振動微分方程。本文通過使用ANSYS Workbench軟件可以非常好地求解出它的模態(tài)固有頻率。圖5是求解的壓樁機(jī)導(dǎo)向架前20階次的自由模態(tài)固有頻率直方圖。
圖5 壓樁機(jī)導(dǎo)向架前20階次模態(tài)固有頻率直方圖
由壓樁機(jī)導(dǎo)向架模態(tài)分析,可以得到它的前20階次模態(tài)固有頻率表,如表1所示。
表1 壓樁機(jī)導(dǎo)向架前20階次模態(tài)固有頻率表
由壓樁機(jī)導(dǎo)向架的固有頻率直方圖可知,它的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形都大于80 Hz。由于壓樁機(jī)導(dǎo)向架的工作頻率一般在80 Hz以下,因此不會引起共振,滿足壓樁機(jī)導(dǎo)向架的動態(tài)性能。如圖6是第5和15階的壓樁機(jī)導(dǎo)向架模態(tài)振型圖。
圖6 壓樁機(jī)導(dǎo)向架的第5、15階模態(tài)振型圖
根據(jù)壓樁機(jī)導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)特點,它不僅可以進(jìn)行形狀尺寸優(yōu)化,還可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。壓樁機(jī)導(dǎo)向架的優(yōu)化設(shè)計是采用尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法,通常分兩步進(jìn)行:首先,對壓樁機(jī)導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,在保證導(dǎo)向架剛度的前提下,減少導(dǎo)向架的材料量,以達(dá)到優(yōu)化它的結(jié)構(gòu)的目的;然后,在導(dǎo)向架的剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提條件下,以它的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計,得到質(zhì)量最輕的導(dǎo)向架。
利用ANSYS Workbench軟件中的Shape Optimization模塊對壓樁機(jī)導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,通過對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載和求解,優(yōu)化后的質(zhì)量減少30%,可以得到如圖7所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)行材料的去除。為了加工的方便,在導(dǎo)向架設(shè)計過程中需要對其尺寸進(jìn)行優(yōu)化。按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖將它的陰影部分進(jìn)行去除。對去除后的導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度強(qiáng)度分析,得到它的最大等效應(yīng)力為85.62 MPa,它的最大變形量為0.63 mm。通過對導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)果表明它的剛度和強(qiáng)度仍然比較好,抵抗變形的能力較強(qiáng)。為了得到性能更優(yōu)的壓樁機(jī)導(dǎo)向架結(jié)構(gòu),需要對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計[7-8]。
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后壓樁機(jī)導(dǎo)向架的剛度強(qiáng)度分析結(jié)果可知,它的結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。為了進(jìn)一步提高它的工作性能,對它的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。首先需要根據(jù)導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)特點,建立它的數(shù)學(xué)模型,主要是確定導(dǎo)向架在優(yōu)化設(shè)計過程中的設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。通過研究分析可以得到導(dǎo)向架優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為:
其中:X1表示導(dǎo)向架蓋板的厚度;
X2表示導(dǎo)向架前導(dǎo)向板的厚度;
X3表示導(dǎo)向架后導(dǎo)向板的厚度;
X4表示導(dǎo)向架側(cè)導(dǎo)向板的厚度;
X5表示導(dǎo)向架筋板的厚度;
Smax表示導(dǎo)向架的應(yīng)力大?。?/p>
[σz]表示導(dǎo)向架材料的許用應(yīng)力大?。?/p>
M表示導(dǎo)向架的質(zhì)量大小。
上述進(jìn)行了導(dǎo)向架的優(yōu)化設(shè)計模型,為了準(zhǔn)確地計算出它的最優(yōu)設(shè)計參數(shù),將使用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行求解。經(jīng)過多次的迭代計算,可以求解出導(dǎo)向架在優(yōu)化過程中設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的變化曲線,分別如圖8、9和10所示。
通過觀察圖8、9和10各個量的變化,可知經(jīng)過11次迭代后各個變量開始趨于穩(wěn)定,則導(dǎo)向架取得了最優(yōu)解。通過分析優(yōu)化設(shè)計后的導(dǎo)向架得知,它的重量從365.3 kg減少到312.5 kg,降低了14.5%。在導(dǎo)向架優(yōu)化設(shè)計過程中,它的最大等效應(yīng)力從72.79 MPa升高到88.62 MPa,仍然小于355 MPa,因此,滿足設(shè)計要求。優(yōu)化設(shè)計后的導(dǎo)向架蓋板的厚度從25 mm降低到18.7 mm,前導(dǎo)向板的厚度從25 mm降低到17.9 mm,后導(dǎo)向板的厚度從25 mm降低到19.2 mm,側(cè)導(dǎo)向板的厚度從25 mm降低到12.5 mm,筋板的厚度從25 mm降低到16.7 mm。優(yōu)化后的導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)不僅滿足剛度強(qiáng)度要求,而且更加節(jié)省材料。
圖7 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖
圖10 導(dǎo)向架目標(biāo)函數(shù)的變化
圖9 導(dǎo)向架狀態(tài)變量的變化
圖8 導(dǎo)向架設(shè)計變量的變化
通過對壓樁機(jī)導(dǎo)向架的設(shè)計和優(yōu)化得到以下結(jié)論:
(1)根據(jù)壓樁機(jī)導(dǎo)向架的工作要求,設(shè)計出它的結(jié)構(gòu)模型,它的結(jié)構(gòu)主要是采用鋼板焊接而成的;
(2)根據(jù)壓樁機(jī)導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析、拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,得到結(jié)構(gòu)最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。