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YZY400靜力壓樁機設計開發(fā)－大身結構有限元應力、強度分析
1 緒論
1.1液壓靜力壓樁機的發(fā)展概況
??? 縱觀液壓靜力壓樁機的發(fā)展過程，大致可將其分為兩個階段：第一階段，從20世紀70年代后期到90年代中期，國內先后研制了幾種壓樁機，并逐步形成系列產品進入市場。其中具有代表性的兩個系列產品是武漢市建筑工程機械廠生產的YZY系列液壓靜力壓樁機和利用中南大學(原中南工業(yè)大學)智能機械研究所的專利技術生產的ZYJ系列液壓靜力壓樁機。在這個階段主要解決了這種樁機的設計理論基礎、動力配置和系統(tǒng)設計問題，滿足了靜壓樁的基本功能。但就整體來說，其主要特征是樁機壓樁力不大，實際使用的最大壓樁力不足4000kN，絕大部分的壓樁力為1 600~2400kN；功能單一，主要應用于施工現(xiàn)場預制的截面尺寸為(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的鋼筋混凝土方樁(實心件)的正常中位壓樁，單樁設計承載力標準值在1400kN以下。而預應力管樁和高強度預應力管樁主要是通過錘擊設備如柴油錘等進行打入施工。
進入20世紀90年代中期以后，液壓靜力壓樁機進入第二發(fā)展階段。由于1994年底在珠海利用液壓靜力壓樁機將直徑500 mm的預應力管樁壓入強風化巖獲得成功，實現(xiàn)了靜壓樁施工技術的歷史性突破，從此拓寬了靜壓樁的應用范圍，也使預應力管樁在城市和居民住宅區(qū)內的應用找到了一條新路子。一方面，實現(xiàn)了靜壓樁的單樁承載力向大噸位方向的快速發(fā)展，與此同時，市場對大噸位樁機的需求不斷增大，而且要求越來越強烈；另一方面，由于施工范圍的不斷擴大，對樁機功能的要求也日益增多，出現(xiàn)了工程施工中許多必須解決的實際問題。這個階段的樁機品種顯著增加，系列化不斷完善，生產廠家也急劇增多，至今在全國約有30個制造廠。其中湖南山河智能機械股份有限公司的生產能力最大，2003年共生產125臺，占全國年總產量的30%~40%。目前的生產能力達到每月15臺，年生產能力在180臺左右，已形成壓樁力為800~10000kN的完整的產品系列，生產的最大噸位機型為ZYJl000。
1.2液壓靜力壓樁機的發(fā)展趨勢
隨著靜壓樁施工技術的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的進一步加強，液壓靜力壓樁機的應用將獲得更廣泛的推廣。同時，液壓靜力壓樁機技術及產品將由粗放型向功能精細化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢可歸納如下：
? ? 1.進一步多功能化，產品適應能力進一步加強。在較厚硬隔層地質條件下施工時，設計并配置專用的螺旋鉆，提高壓樁機的穿透能力和對地質的適應能力；對大噸位樁機開發(fā)相應的夯實裝置，實現(xiàn)以靜壓替代強夯壓樁管徑可從目前的最大600mm增大到800mm以上。
?? 2.智能化操作與施工的壓樁機開發(fā)。開發(fā)機身液壓自動調平系統(tǒng)，壓樁過程計算機自動記錄及承載力在線測試，夾持力自動均衡控制，實現(xiàn)產品的智能化操作。
3.異型樁夾持裝置的刀發(fā)。特別是與鋼板樁、工字鋼樁、錐形樁等相適應的夾樁機構的開發(fā)。
4.壓樁力大、質量輕機型產品的開發(fā)。特別是對于鋼板樁連續(xù)墻施工產品的開發(fā)將是今后靜力壓樁機發(fā)月的新領域。
5.適應于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機產品的開發(fā)。
6.產品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。
1.3靜壓樁機概述
隨著液壓技術的發(fā)展，我國在20世紀70年代開始研制生產靜壓樁機。采用靜壓樁機將樁逐段壓入土層中具有如下明顯的優(yōu)點。
1.在施工中無振動、無噪聲、無污染，在城市居住密集區(qū)施工有明顯的優(yōu)越性o
2.油于樁是通過靜力壓入土層，樁沒有受到錘擊樁時所引起的拉伸應力波的沖擊，因
此樁內的鋼筋配置和混凝土的強度均可比柴油錘錘擊樁要小，這樣可節(jié)約樁的工程成本。經統(tǒng)計，與打擊樁相比，靜壓樁可節(jié)約鋼材47％，水泥12％。
3.采用柴油錘打樁，樁周邊土壤有一定程度的“液化”，因此，樁要經過一段時間
“休息”后，才具有真實的承載力，靜壓樁在施工中不會對樁周邊土壤產生較大的干擾，所壓入樁的最終壓力基本上體現(xiàn)了樁的實際承載力，因此施工完成后．根據壓人過程的壓力曲線可迅速計算出樁的實際承載力。
4.基本上無斷樁。
5.可以直接用靜壓校機對樁進行靜載試驗。
雖然靜壓樁有上述優(yōu)點，但由于靜壓樁機要配有較多的配重，整個機器的拼裝、運輸及工作效率仍然比打擊樁低，所以目前仍不如柴油錘打擊樁與鉆孔樁普及。但隨著城市的發(fā)展，對噪聲及泥漿污染進行越來越嚴格的限制，靜壓樁機必將越來越受到市場的重視。
1.4 YZY系列靜壓樁機的構造與工作原理
YZY400型靜壓樁機的構造:
它由支腿平臺結構、行走機構、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。
1．支腿平臺結構
該部分內底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導向壓樁架、夾持機構、液壓系統(tǒng)裝置和起重機，底盤里面安裝了液壓油箱和操作室，組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊，支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉機構相聯(lián)。整個樁機通過平臺結構連成一體，直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎臺邊，工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結構。
2．長船行走機構 為長船行走機構，它內船體，行走臺車與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián)，行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時，頂升液壓缸頂升使長船落地，短船離地，接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車，使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地，短船落地。短船液壓缸動作時，長船船體懸掛在樁機上移動，重復上述動作，樁機即可縱向行走。
3. 短船行走機構與回轉機構 它由船體、行走梁、回轉梁、掛輪機構、行走輪、橫船液壓缸、回轉軸和滑塊組成。回轉梁兩端與底盤結構鉸接，中間由回轉軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪，正好落在船體的軌道上，用焊接在船體上的掛輪機構1掛在行走梁上，使整個船體組成—體。液壓缸的一端與船體鉸接．另一端與行走梁鉸接。工作時，頂升液壓缸動作，使長船落地，短船離地．然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程，長船離地，短船落 地，短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復交替進行，實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉動作是：長船接觸地面，短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程，然后短船接觸地面，長船離地，此時讓兩個短船液壓缸一個伸出—個收縮，于是樁機通過回轉軸使回轉梁上的滑塊在行走梁上作回轉滑動。油缸行程走滿，樁機可轉動15度左右，隨后頂升液壓缸讓長船落地，短船離地，兩個短船液壓缸又恢復到1/2行程處，并將行走梁恢復到回轉梁平行位置。重復上述動作，可使整機回轉到任意角度。
4．夾持機構與導向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面，壓樁液壓缸與導向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內，夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動，使夾持機構在導向架內上下運動，將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸，返回后繼續(xù)上述程序。
1.5大身結構總述
大身是整臺液壓靜力壓樁機的重要組成部分，一方面它承受著整個壓樁機除行走（或支撐）部分的全部重量，并使樁機的起重機、壓樁結構能夠協(xié)調的工作。另外，它連接了樁機上部結構與下部結構，使本來不能移動的上部結構能夠通過下部結構行走、移位。因此，大身結構設計將直接影響整個樁機的操作性能、工作性能。
1.6大身結構的設計原則
(1) 滿足剛度、強度、穩(wěn)定性要求
眾所周知，大身是整臺樁機重要組成部分，樁機的上部結構包括駕駛室、立柱、起重機、配重等都作用在大身上。而且，這些重量巨大，因為壓樁機的自重決定了最大的壓樁能力。所以在大身結構設計時一定要考慮其強度。另外，如果大身結構剛度不夠，在打樁時大身就會產生較大的變形。這必然會影響打樁的精度，如使樁機無法對準樁位或者使樁在壓入時造成傾斜而造成作業(yè)無效。
(2) 大身結構與相關的部件在尺寸上的協(xié)調
與大身相連的結構有立柱、大船（橫向）、小船（縱向）及駕駛室、支腿、支柱和油箱、泵、電機構件。大身的結構設計一定要使這些部件能合理布置。
(3) 方便操作
大家知道,整臺液壓靜力壓樁機的有效部件都是布置在大身上的。在大身結構設計時一定要考慮各部件操作時連續(xù)性與合理性。因此，在結構設計時要考慮樁機操作性能。
(4) 方便維修（可維修行）
在設計時要考慮萬一所設計的部件出現(xiàn)故障或者相關部件出現(xiàn)故障后可維修性。如果所設計的結構不具有可維修性，而因結構的一點小故障而葬送整個結構，這樣的結構設計也是不合理的。
(5) 經濟性
現(xiàn)在是市場經濟時代，效益是生存之本。怎樣獲取高的效益，當然是在滿足要求的情況下獲得最簡單的結構設計，獲取最大的經濟效益。
１.7 本畢業(yè)設計（論文）的主要工作
（1）了解分析全液壓靜力壓樁機的結構與原理；
（2）運用CAD畫出全液壓靜力壓樁機大身結構主要零部件的圖紙；
（3） 根據大身的結構特點，應用大型有限元分析軟件ANSYS，建立大身結構有限元分析模型，求解它在工作狀態(tài)下的應力情況以進行必要的強度分析；
（4） 如果分析所得最大應力超過了材料的許用應力，則對設計方案提出改進意見。
2 有限元理論概述
有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法,是解決工程實際問題的一種有力的數(shù)值計算工具,最初這種方法被用來研究復雜的飛機結構中的應力．它是將彈性理論、計算數(shù)學和計算機軟件有機地結合在一起的一種數(shù)值分析技術；后來由于這一方法的靈活、快速和有效性，使其迅速發(fā)展成為求解各領域的數(shù)理方程的一種通用的近似計算方法．目前，它在許多學科領域和實際工程問題中都得到廣泛的應用，因此，在工科院校和工業(yè)界受到普遍的重視。
在求解工程技術領域的實際問題時，建立基本方程和邊界條件還是比較容易的，但是由于其幾何形狀、材料特性和外部荷載的不規(guī)則性，求得解析解卻是很困難的。因此，尋求近似解法就成了必由之路．經過多年的探索，近似算法有許多種，但常用的數(shù)值分析方法就是差分法和有限元法。
差分法計算模型可給出其基本方程的逐點近似值(差分網格上的點)。但對于不規(guī)則的幾何形狀和不規(guī)則的特殊邊界條件差分法就難于應用了。
有限元法把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點處互相連接的子域(單元)所構成，其模型給出基本方程的分片(子域)近似解。由于單元(子域)可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件．再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，使其已成為一種非常受歡迎的、應用極廣的數(shù)值計算方法。
在實際研究中我們常常把復雜系統(tǒng)分解成性態(tài)容易了解的單個元件或“單元”，研究其性態(tài)，再將這些元件重建原來的系統(tǒng)以得到整體性態(tài)。這是工程技術人員和科學家經常采用的分析問題的方法。
有限元的基本思想，可以從兩個不同的角度去理解，但其實質卻是一樣的。
一種是樸素的，實質上是工程的推想：把一個連續(xù)的彈性體（或是結構）簡化為由若干個離散的元素組合而成的等效組合體。而整個結構又是由有限個數(shù)目的元素組合而成的，當然也可以用有限個參數(shù)來加以描述。所以它的基本方程式將是一個代數(shù)方程組，在數(shù)學上屬于離散體系。即用代數(shù)方程組來取代描述真實彈性體的微分方程組，在求解時當然極為有利。
另一方面，從數(shù)學的角度來看，有限元是求解數(shù)學物理方程的一種數(shù)值方法。在有限元中，測試函數(shù)要“分片地”選取。這就是說：首先把整個域劃分成若干“子域”，然后分別在子域上選取測試函數(shù)，并要求這些測試函數(shù)在各個子域內部，在子域之間地分界面上（稱為內部邊界）以及子域與邊界地分界面上（稱為外部邊界）有均滿足一定的條件（譬如位移協(xié)調或應力平衡）
2.1 有限元基本理論
2.1.1 有限元理論的基本思想
(1) 假想把連續(xù)系統(tǒng)(包括桿系，連續(xù)體，連續(xù)介質)分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的指定點(稱為節(jié)點)處相互連接，構成一個單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點上引進等效載荷(或邊界條件)，代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷(或邊界條件)。
(2) 對每個單元由分塊近似的思想，按一定的規(guī)則(由力學關系或選擇一個簡單函數(shù))建寸求解未知量與節(jié)點相互作用(力)之間的關系(力——位移、熱量—— 溫良、電壓——電流等)。
(3) 把所有單元的這種特性關系按一定的條件(變形協(xié)調條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理)集合起來，引入邊界條件，構成一組以節(jié)點變量(位移、溫度、電壓等)為未知量的代數(shù)方程組，求解之就得到有限個節(jié)點處的待求變量。
所以．有限元法實質上是把具有無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題轉化為適合于數(shù)值求解的結構型問題。
2.1.2 有限元理論的特點
有限元方法應用于大量問題，既包括結構問題，也包括非結構問題。這種方法有很多優(yōu)缺點，因而變得很普遍。這些優(yōu)缺點包括：
（1）可以很容易地模擬不規(guī)則形狀的結構。
（2）可以毫無困難地處理一般的載荷條件。
(3)因為單元方程是單個地建立的，因此可以模擬由幾種不同材料構成的物體。
(4)可以處理數(shù)量不受限制的和各種類型的邊界條件。
(5)單元的尺寸大小可以變化，必要時可使用小單元。
(6)改變有限元模型比較容易，花費不大。
(7)可包括動態(tài)作用。
(8)可處理大變形和非線性材料帶來的非線性問題。
結構有限元分析使設計者能在設計過程種探知應力，振動和熱應力問題，能夠在構造樣板之前對設計更換做出估計。因此，對樣本可以接受的信心就增強了。此外，如果用得適當，有限元方法還可以減少必須建造的樣板的數(shù)量。
雖然有限元方法開始時是用于結構分析的，它已被修改可適用于工程和數(shù)學物理領域的其他學科，如流體流動，熱傳導，電磁電位，土力學和聲學
(9) 概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起對該方法的理解。從使用的觀點來講，每個人的理論基礎不同，理解的深度也可以不同，既可以通過直觀的物理意義來學習，也可以從嚴格的力學概念和數(shù)學概念推導
(10) 適應件強，應用范圍廣泛。有限元法可以用來求解工程
中許多復雜的問題，特別是采用其他數(shù)值計算方法(如有限差分法)求解困難的問題、如復雜結構形狀問題，復雜邊界條件問題，非均質、非線性材料問題，動力學問題等。目前，有限元法在理論上和應用上還在不斷發(fā)展。今后將更加完善和使用范圍更加廣泛。
(11)有限無法采用矩哭雜陣形式表達，便于編制計算機程序．可以充分利用高速數(shù)字計算機的優(yōu)勢。由于有限元法計算過程的規(guī)范化，目前在國內外有許多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINA．ANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。
(12)有限元法的主要缺點是解決工程問題必須首先編制(或具有)計算機程序，必須運用計算機求解；另外，有限元計算前的數(shù)據準備、計算結果的數(shù)據整理工作量相當大。然而，在計算機日益普及的今天，使用計算機已不再困難。對于后一缺點可通過用計算機進行有限元分析的前、后處理來部分或全部地解決。
2.1.3 有限元的前后處理
一般來講，有限元法的分析過程包括以下幾步：
(1) 計算模型的幾何部分，數(shù)據生成和數(shù)據淮備；
(2) 計算分析；
(3) 計算結果的分析、整理和圖形顯示。
有限元發(fā)展初期，第(1)步和第(3)步工作都是由人工來做的，既耗費時間又容易出錯。有統(tǒng)計資料表明，由手工剖分有限元計算模型，其工作量占到整個有限元分析過程工作量的45%。用人工分析有限元計算結果則要占整個工作量的50％，而計算分析由于是計算機完成，工作量只占全部工作量的5％。以第(1)步工作為例．首先要將所分析的模型按一定的比例放大或縮小地畫在坐標紙上，其次按所選定的單元形式對它進行剖分，按一定的順廳編單元號和節(jié)點號。然后，準備各種數(shù)據以供有限元分析之用。這些數(shù)據主要有：
節(jié)點信息——包括節(jié)點編號和節(jié)點的二維或三維坐標；
單元信息——包括單元編號及單元中節(jié)點號的排列順序；
材料信息——包括計算模型的材料性質(彈性模量、泊松比、比熱、導熱系數(shù)等)；
載荷信息——包括計算模型所受負載信息(集中力、體積力、表面力、溫度、壓力等)；
約束信息——包括計算模型的初始條件和邊界條件。
最后還必須將所有這些數(shù)據一一輸入計算機。
有限元分析的前處理就是使計算模型的集合部分、數(shù)據生成和數(shù)據輸入這部分工作部分或完全由計算機自動完成。而有限元分析的后處理則是將有限元計算結果由計算機整理成易于閱讀或分析的數(shù)值或圖形形式。
2. 1. 3. 1有限元分析的前處理技術
有限元法的前處理主要有下列內容：
(1)計算模型的幾何表示；
(2)模型網格的自動剖分；
(3)剛度矩陣的帶寬優(yōu)化；
(4)模型網格圖的計算機繪制。
2. 1. 3. 2 有限元分析的后處理技術
有限元的計算結果是大量的數(shù)值數(shù)據．從打印的數(shù)值結果中很難直接分析計算結果是否正確，是否合理，甚至看不出是否得到了預期的結果。例如結構強度分析問題，計算結果是節(jié)點位移值和應力值，位移值表示結構的變形．應力值可分析結構的安全性。但從成干上萬的位移數(shù)據和應力數(shù)據中是看不出結構的變形情況和應力分布情況的。因此，必須對有限元計算結果進行再分析、再處理。
2.2 ANSYS軟件簡介
有限單元法是利用電子計算機進行數(shù)值模擬分析的方法，目前在工程技術領域中的應用十分廣泛，有限元計算結果己成為各類工業(yè)產品設計和性能分析的可靠依據。國際上著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的如SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、ALGOR—FEM等。
本論文中所用的是ANSYS軟件，在此只對ANSYS軟件進行簡要介紹。
ANSYS軟件是集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學科研等眾多領域，ANSYS是這些領域進行國際國內分析設計技術交流的主要分析平臺。
自1970年美國匹茲堡大學力學系教授John Swanson博士開發(fā)出ANSYS以來，在30多年的發(fā)展過程中，ANSYS不斷改進提高，功能不斷增強。
2.2.1 ANSYS主要技術特點
ANSYS作為一個功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件，其技術特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）數(shù)據統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據庫來存儲模型數(shù)據及求解結果，實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據統(tǒng)一。
（2） 強大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力、僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復雜的幾何模型。
（3）強大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據分析要求選擇合適的求解器。
（4）強大的非線性分析功能。ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。
（5）智能網格劃分。ANSYS具有智能網格劃分功能，根據模型的特點自動生成有限元網格。
（6）良好的優(yōu)化功能。利用ANSYS的優(yōu)化設計功能，用戶可以確定最優(yōu)設計方案；利用ANSYS的拓撲優(yōu)化功能，用戶可以對模型進行外型優(yōu)化．尋求物體對材料的最佳利用。
（7） 可實現(xiàn)多場耙合功能。ANSYS可以實現(xiàn)多物理場耦合分析，研究各物理場間的相互影響。
（8）提供與其他程序接口。ANSYS提供了與多數(shù)CAD軟件及有限元分析軟件的接口程序，可實現(xiàn)數(shù)據共享和交換、如PPro/Engineer、NASTRAN、Algor-FEM、I—DEAS、AutoCAD、Solidworks、Parasolid等。
（9）良好的用戶開發(fā)環(huán)境。ANSYS開放式的結構使用戶可以利用APDL、UIDL和UPFS對其進行二次開發(fā)。
2.2.2 ANSYS主要功能
1．結構分析
結構分析用于確定結構在荷載作用下的靜、動力行為，研究結構的強度、剛度和穩(wěn)定。
2．熱力學分析
熱力學分析用于分析系統(tǒng)或部件的溫度分布，以及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱流密度等。
3．流體分析
流體分析用于確定流體的流動及熱行為。
4．ANSYS電磁場分析
電磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流能耗及磁通量泄漏等。
5．耦合場分析
耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。當兩個物理場之間相互影響時，單獨求解一個物理場得不到正確結果，因此需要將兩個物理場組合到一起來分析求解。ANSYS中可以實現(xiàn)的耦合場分析包括；熱一結構、磁—熱、磁一結構、流體一熱、流體一結構、熱一電、電一磁—熱—流體一結構等。
本論文中僅僅用到結構分析當中的靜力分析和模態(tài)分析。其中靜力分析是用于分析結構的靜態(tài)行為，可以考慮結構的線性及非線性特性。例如：大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。模態(tài)分析是計算線性結構的自振頻率及振形。
2.2.3 ANSYS一般分析步驟
ANSYS典型的分析過程由前處理、求解計算和后處理三個部分組成。
1．前處理
定義工作文件名
設置分析模塊。
定義單元類型和選項。
定義實常數(shù)。
定義材料特性。
建立分析幾何模型。
對模型進行網格劃分。
施加荷載及約束。
2．求解計算
選擇求解類型。
進行求解選項設定。
3．后處理
從求解計算結果中讀取數(shù)據。
對計算結果進行各種圖形化顯示。
可對計算結果進行列表顯示。
進行各種后續(xù)分析。
３ 全液壓靜力壓樁機大身的建模與分析
３.1 YZY系列靜壓樁機的構造與工作原理
YZY400型靜壓樁機的構造:
它由支腿平臺結構、行走機構、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。
1．支腿平臺結構
該部分內底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導向壓樁架、夾持機構、液壓系統(tǒng)裝置和起重機，底盤里面安裝了液壓油箱和操作室，組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊，支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉機構相聯(lián)。整個樁機通過平臺結構連成一體，直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎臺邊，工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結構。
2．長船行走機構 為長船行走機構，它內船體，行走臺車與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián)，行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時，頂升液壓缸頂升使長船落地，短船離地，接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車，使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地，短船落地。短船液壓缸動作時，長船船體懸掛在樁機上移動，重復上述動作，樁機即可縱向行走。
3. 短船行走機構與回轉機構 它由船體、行走梁、回轉梁、掛輪機構、行走輪、橫船液壓缸、回轉軸和滑塊組成?；剞D梁兩端與底盤結構鉸接，中間由回轉軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪，正好落在船體的軌道上，用焊接在船體上的掛輪機構1掛在行走梁上，使整個船體組成—體。液壓缸的一端與船體鉸接．另一端與行走梁鉸接。工作時，頂升液壓缸動作，使長船落地，短船離地．然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程，長船離地，短船落 地，短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復交替進行，實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉動作是：長船接觸地面，短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程，然后短船接觸地面，長船離地，此時讓兩個短船液壓缸一個伸出—個收縮，于是樁機通過回轉軸使回轉梁上的滑塊在行走梁上作回轉滑動。油缸行程走滿，樁機可轉動15度左右，隨后頂升液壓缸讓長船落地，短船離地，兩個短船液壓缸又恢復到1/2行程處，并將行走梁恢復到回轉梁平行位置。重復上述動作，可使整機回轉到任意角度。
4．夾持機構與導向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面，壓樁液壓缸與導向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內，夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動，使夾持機構在導向架內上下運動，將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸，返回后繼續(xù)上述程序。
3.2 載荷分析
3.2.1 約束部分
（1）四個支腿全約束;
（2）油缸結合面
3.2.2 載荷部分
大身上表面4000000N(均布)
3.3 有限元模型建立
材料參數(shù)
參數(shù)名
數(shù)值
單位
楊氏模量
1.96e8
千帕
密度
7.9e-6
千克/立方毫米
泊松比
0.3
ANSYS提供了多種單元節(jié)點生成的方法，這里我們采用ANSYS網格內部自動劃分功能,得到337,125個節(jié)點,283,271個單元。
生成的有限元模型如下：
把所有的約束與載荷加在此模型上得到下面的圖：
3.4全液壓靜力壓樁機的強度分析
其所受的變形圖如下：
應力分布圖如下：
底面應力分布如下：
應力分布及其變形圖如下：
支腿應力分布如下：
壓樁孔應力分布如下：
最大應力發(fā)生處：
最大應力出現(xiàn)在支腿與大身連接處,為33.561Mpa，滿足強度要求，該設計是成功的。
綜上所述，對大身進行了有限元方法的計算、分析；結果表明，設計強度滿足材料性能，并且真實反映大身的強度薄弱點，為大身的改進設計提供了理論基礎。
4結論
本文對YZY400靜力壓樁機大身結構進行了限元應力、強度分析，主要成果有以下幾個方面：
(1) 通過對的塔式起重機機身結構了解，根據設計圖紙建立了大身力學模型。本文的研究為大身的應力和強度分析奠定了基礎。
(2) 根據所建立的全液壓靜力壓樁機大身結構的力學模型，利用大型的CAD/CAM/CAE軟件ANSYS，對大身進行了應力和強度分析，結果符合實際情況。
5．總結與展望
本文的撰寫過程需要用到全新的軟件Pro/ENGINEER和ANSYS，也需要用到沒有學過的有限元知識，所以本論文有一定的難度，但在我的努力和老師的幫助下順利完成了設計任務。
本論文是在設計已完成的基礎上對其進行應力和強度分析，預測其在實際工程中是否實用，最后所得結果是比較令人滿意的。但由于本人初學有限元理論，對有限元基本理論的認識還遠遠不夠，對ANSYS的應用還需要進一步的學習。
本文所建三維模型基本都是嚴格按照設計尺寸所建，在進行分析時適當?shù)貏h減了某些對結果無影響的部分，這大大節(jié)省了計算的時間。
由于時間關系，本文的加載數(shù)據也是參照已有的理論數(shù)據值，自己沒有計算，如果自己計算，相信論文一定會更加豐滿。
如果計算所得結果超出了材料的許用應力，那么則應該對模型進一步進行修改，這充分地體現(xiàn)了本次分析所帶來的意義，不必像以前那樣等樣品出來進行實驗后才知道所設計的產品合不合格。
本文的研究為靜力壓樁機的設計、制造提供了理論依據。
本文的工作還可以進行進一步的研究，比如對靜力壓樁機進行動力學分析，靜力壓樁機系統(tǒng)性能仿真等等。
由于時間倉促，并且這是我們第一次接觸有限元知識，其中難免有錯誤和疏漏之處，懇請各位老師提出寶貴意見。
致謝：
本文從選題到論文撰寫、完稿過程中，王東方老師始終給與悉心指導，并對本文的初稿進行了認真的批閱與修改，提出了許多寶貴的建議和意見，特別是在ANSYS的學習中，王老師付出了很多的時間對我進行指導；吳嘵東同學在大身的分析方面給了我很多的支持，提供了大量的資料；淮安塔式起重機制造廠的專家也對我的設計給與了大力支持，提供了良好的畢業(yè)設計場所；在此向以上的各位老師、專家表示衷心的感謝。
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