本文探討研究了ZYB600F型液壓靜力壓樁機(jī)懸臂強(qiáng)度分析方法等內(nèi)容。

　　0引言

　　液壓靜力壓樁機(jī)是實(shí)施靜力壓樁工法的關(guān)鍵施工設(shè)備。這種設(shè)備施工時(shí)具有無(wú)震動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)油污飛濺、施工質(zhì)量好、使用費(fèi)用低、工作效率高、壓樁速度快、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，是環(huán)保型樁工機(jī)械。正因?yàn)橐簤红o力壓樁機(jī)具有以上特點(diǎn)，所以在現(xiàn)代建筑基礎(chǔ)施工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于液壓靜力壓樁機(jī)的工作條件不好，工況復(fù)雜，致使壓樁機(jī)的懸臂在工作中易發(fā)生嚴(yán)重變形或開(kāi)裂，從而降低其使用壽命或因不能滿足工程施工的要求而影響施工。

　　液壓靜力壓樁機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大多是利用材料力學(xué)知識(shí)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析，往往注重宏觀結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面的要求，而忽略了其微觀特征。有限元分析方法是用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過(guò)對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值分析方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元，每個(gè)單元的場(chǎng)函數(shù)是只包含有限個(gè)待定節(jié)點(diǎn)參量的簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù)，這些單元場(chǎng)函數(shù)的集合就能近似代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解門(mén)。故本文利用有限元分析方法，在短船懸空、長(zhǎng)船著地支撐時(shí)一對(duì)角線上的兩個(gè)支腿油缸支撐，另一對(duì)角線上的兩個(gè)支腿油缸懸空這一最不利工況下，對(duì)液壓靜力壓樁機(jī)懸臂進(jìn)行靜態(tài)分析，闡述液壓靜力壓樁機(jī)懸臂受力特征，分析懸臂變形或開(kāi)裂的原因，探討懸臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑

　　1 ZYB600F型液壓靜力壓樁機(jī)基本結(jié)構(gòu)

　　ZYB600F型液壓靜力壓樁機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由懸臂梁、配重、懸臂、機(jī)身、短船和長(zhǎng)船等組成。

　　2懸臂受力分析及強(qiáng)度校核

　　液壓靜力壓樁機(jī)在實(shí)際工作中，因地質(zhì)條件和路面情況等因素的不同，在短船懸空、長(zhǎng)船著地支撐時(shí)，可能出現(xiàn)一對(duì)角線上的兩個(gè)支腿油缸支撐，另一對(duì)角線上的兩個(gè)支腿油缸懸空的情況。由材料力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)可知，在這種工況下，懸空的懸臂可簡(jiǎn)化為一懸臂梁.其受力情況如圖2所示。

　　圖中:A-懸臂的外端點(diǎn);B-橫梁與懸臂接觸的幾何中心;Fb橫梁和配重在懸臂上的壓力;C-支腿油缸的支撐點(diǎn);Fc-支腿油缸的支撐反力;D-懸臂與機(jī)身的連接點(diǎn)，解除該點(diǎn)的約束，可用機(jī)身連接點(diǎn)對(duì)懸臂的約束反力Rd和Ma來(lái)代替;Mr-橫梁及配重對(duì)該懸臂產(chǎn)生的扭矩。

　　根據(jù)液壓靜力壓樁機(jī)設(shè)計(jì)的資料及工作要求，現(xiàn)已知橫梁質(zhì)量mhl=8t，機(jī)身質(zhì)量mjs=80t，長(zhǎng)船質(zhì)量mcc=20t ,短船質(zhì)量mdc=24t，配重mpx=240t。我們利用材料力學(xué)知識(shí)對(duì)懸臂進(jìn)行分析與計(jì)算，可得:Rd=Fb=6.4*105(N);MD ≈154*107(Nmm);MT207.4*107 (Nmm)。

　　根據(jù)受力特點(diǎn)和力學(xué)原理分析，可知其危險(xiǎn)截面可能在D處.而D截面的結(jié)構(gòu)尺寸及形狀如圖3所示。

　　因此，在此工況下D截面處的正應(yīng)力小于許用值，因此是安全的。

　　3有限元分析

　　3.1建立實(shí)體模型

　　利用SolidWorks 建立懸臂和機(jī)身連接的實(shí)體模型，如圖4所示。根據(jù)研究問(wèn)題的性質(zhì)，在建立實(shí)體模型的過(guò)程中，對(duì)一些非接觸配合的凸臺(tái)進(jìn)行了省略，懸臂端面的限位條也省略，機(jī)身用一框架結(jié)構(gòu)代替，省略了長(zhǎng)船和短船，4個(gè)支腿著地時(shí)，支腿球頭以一球面約束進(jìn)行模擬。

　　3.2建立有限元分析模型

　　(1)利用Cosmos有限元分析軟件，對(duì)實(shí)體模型用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器按實(shí)體網(wǎng)格類型4Point形式劃分網(wǎng)格。

　　(2)定義材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235(密度為kg/m3，彈性模量為Mpa，泊松比為0.3)。

　　(3)施加載荷與約束，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，已知單根配重橫梁重4t，單邊配重的重量為24Ot，根據(jù)工作需要，均以面力方式施加到機(jī)身和懸臂上，如圖5所示。

　　關(guān)于約束.一方面是對(duì)于支腿的約束.在此工況下，支腿在X, Y, Z三個(gè)方向上的移動(dòng)應(yīng)予以限制，而轉(zhuǎn)動(dòng)不必限制，因此，支腿可用徑向力加以約束，如圖6所示;另一方面是懸臂旋轉(zhuǎn)座與機(jī)身接觸處的約束，以及懸臂的銷軸與機(jī)身接觸處的約束，對(duì)于這一問(wèn)題，應(yīng)用相觸面組進(jìn)行處理，即定義源與目標(biāo)實(shí)體之間的相觸面。根據(jù)它們的實(shí)際接觸情況，在此應(yīng)用無(wú)穿透型接觸面組，此接觸類型可防止源與目標(biāo)實(shí)體之間產(chǎn)生干涉，但允許源與目標(biāo)實(shí)體之間形成縫隙。

　　(4)計(jì)算求解。利用Direct sparse解算器進(jìn)行求解，得到最大應(yīng)力為:σmax=172.3MPa。

　　3.3分析與比較

　　本工況下與其它工況相比較，由于橫梁及配重對(duì)懸空的懸臂產(chǎn)生了較大的扭矩Mr，從而惡化了該懸臂的的受力情況。作者認(rèn)為主要是以下兩個(gè)方面的原因:①材料力學(xué)計(jì)算中，把機(jī)身與懸臂機(jī)構(gòu)當(dāng)成一個(gè)整體，忽略了它們之間的聯(lián)接，這樣，計(jì)算中的受力情況與實(shí)際受力情況是不完全一致的;②應(yīng)用材料力學(xué)知識(shí)計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮懸臂的應(yīng)力集中問(wèn)題。而實(shí)際結(jié)構(gòu)中，懸臂旋轉(zhuǎn)座與機(jī)身上平面相接觸的水平面與垂直部分的相交處，形成了一個(gè)直角，因此，在此處產(chǎn)生力集中，形成一最大應(yīng)力集中區(qū)域。

　　4結(jié)論

　　(1)利用CosMos有限元分析時(shí)，懸臂產(chǎn)生變形與實(shí)際變形情況完全一致;產(chǎn)生裂紋或發(fā)生開(kāi)裂的情形與實(shí)際情況也相同，這說(shuō)明利用有限元分析的結(jié)果與實(shí)際情況是相符合的。

　　(2)利用有限元分析時(shí)，能夠明確標(biāo)示出構(gòu)件受力最大的區(qū)域或應(yīng)力集中的區(qū)域;同時(shí)，通過(guò)上述分析，找到了懸臂產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開(kāi)裂的主要原因，這為懸臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明了方向。