旋挖钻机适用于各类城市交通建设,铁路公路桥梁建设,高层建筑等桩基基础工程施工,旋挖钻机工作装置是旋挖钻机的主要工作部件,其结构强度直接影响到旋挖钻机作业的可靠性及安全性.工作装置中的桅杆作为力学结构中的细长杆件,其结构稳定性显得十分重要.本文通过有限元分析计算,获得工作装置的应力分布和变形情况,模态及桅杆的临界屈曲载荷,为旋挖钻机工作装置的设计和改进提供参考依据.

1 建立工作装置几何模型

将UG建立的工作装置实体模型，导入NX MASTERFEM前处理器提取其中面，因为实体模型不重视几何体之间的连接性，因此需要对提取的中面进行缝补使其几何相联，同时在模型中保留需要用一维有限元单元来模拟的部分实体，如钻杆、绳索等，处理好的几何模型见图1。

2 建立有限元模型

旋挖钻机工作装置的组成部件较多，结构复杂。为使计算准确，gao效又能真实地反映出实际结构的特性，我们采用以下建模方法。对于厚宽比小于1/5的薄板采用shell单元来模拟，对于厚板采用计算精度较高的六面体solid单元划分,因为钻杆、油缸和绳索不是研究的重点，在这里我们进行适当简化模拟，钻杆和油缸采用Beam单元来模拟,绳索、销轴和螺栓采用Rbar单元来模拟,用耦合自由度(coupled DOF)来模拟工作装置相联的销轴处转动幅及钻杆支架的移动幅,根据实际结构各处的转动幅"释放耦合自由度的转动自由度.
    
分别建立吊锚架,上桅杆体,中桅杆体,下桅杆体,主卷扬体,辅卷扬体,动臂的有限元模型,然后用有限元模型装配方法,将他们装配成整体有限元模型.本模型共有结点132094个,单元134053个.有限元模型及局部放大图见图2,图3.

材料特性:材料为Q345:弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.3.

3 计算工况分类

采用模拟实际工作环境的方法,确定如表1所示几种典型工况进行计算分析:

4 计算结果分析

利用NASTRAN求解器对车架的有限元模型进行求解,求得工作装置的应力和位移图,见图4~图11(增大了变形显示比例)工作装在6种工况中的应力分布各有不同,但应力水平比较接近,工况1工作装置的较大应力出现在吊锚架根部侧边,其应力值达到321MPa,接近Q345的许用应力345MPa.工作装置的较大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.103m.工况2工作装置的较大应力出现在动臂上,其应力值达到133MPa,低于Q345的许用应力345MPa.工作装置的较大位移出现在吊锚架顶部,其值为0.0689m.其余各工况各部件的应力值普遍在130MPa以下,其中中桅杆的应力值较低,普遍在80MPa以下,是比较安全的.

5 模态分析

模态也叫固有振型,结构按某一固有圆频率振动时,各节点位移振幅相对关系,也可以说相对振幅.对于一个有限元模型来说,有多少个节点自由度,就有多少个模态,在实际工程中,当计入激振频率值范围内的固有频率对应的主振型,然后用模态叠加法计算出结构对激振力响应,一般已能得到较好的近似解.

另外,还应指出的是,结构是否能产生共振,不仅与激振力的频率有关,而且与激振力的空间分布有关,如果某模态振型与激振力正交,那么即使这些主振型的固有频率接近激振力的频率,也不会发生共振.

经计算分析,取前3阶模态,其模态频率分别为1.49Hz、2.16Hz、3.51Hz、其具体振型见图12~图14(模态振型图),由于挖斗的较大转速为22r/min(0.37Hz),所以不会产生共振现象.

6 桅杆屈曲分析

利用I-DEAS中的Linear Buckling分析模块进行桅杆屈曲分析.

屈曲分析的*一个子工况为求解下列线性方程组的线性静力分析.

一个真实的结构有无限多个自由度.有限元模型用有限个自由度模拟结构的性能.有限元模型能得到的屈曲载荷的数目等于模型的自由度数.也就是说我们较关心的是较小临界载荷.因为结构在达到任何更高的屈曲载荷之前已经破坏了.

建立桅杆屈曲分析有限元模型" 施加旋挖钻机较大压力载荷P*和约束条件,组成有限元计算模型,见图15.进行求解计算,计算结果如图16所示,得到临界屈曲载荷比例因子λi=5.18,故临界屈曲载荷.桅杆在旋挖钻机较大压力载荷不会失稳,表现出了良好的结构稳定性.

7 结论

在计算的6种危险工况中,主卷扬较大提升时,吊锚架根部应力较大,容易造成局部塑性变形,可以在其根部增加加强筋,以提高强度.中桅杆部分区域在各工况中,应力都较低,可以适量减少中桅杆部分区域用料以降低成本.对改进后的模型再次进行了强度和屈曲分析验证了改进的可行性.

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