旋挖钻机钻桅有限元强度分析及其结构参数优化--《中南大学》2010年硕士论文
旋挖钻机钻桅有限元强度分析及其结构参数优化
【摘要】：
旋挖钻机作为技术含量和机电液集成度最高的大口径桩基础工程高端成孔装备之一,目前在我国已由完全进口转变为自主研发与制造为主,其应用日趋广泛。因此,对旋挖钻机及其关键部件的研究成为越来越迫切的任务。而同时,引入新的设计技术,利用有限元法进行旋挖钻机及其关键部件结构的研究与设计也将成为一种趋势。本文结合国家863项目,利用有限元针对旋挖钻机钻桅的强度、刚度和优化设计进行较为细致和深入的研究,主要工作如下：
综述国内外旋挖钻机和研究现状,分析旋挖钻机及钻桅的结构特点和工作原理,明确论文研究的意义和内容。
建立旋挖钻机钻桅在起架、提钻、钻进三种典型工况下的力学模型,通过MATLAB仿真,研究旋挖钻机的力传递特性,为后文的结构强度分析与优化设计奠定基础。
结合三维造型软件Solidworks和有限元分析软件ANSYS,构建旋挖钻机钻桅的有限元模型；并对旋挖钻机钻桅分别进行三种工况的仿真研究。通过分析桅杆的应力、应变情况,发现其薄弱环节和过剩部位,为进一步优化钻桅结构、改进钻桅设计提供依据。
以SWDM-22型旋挖钻机为平台,完成起架工况的压力测试实验以及与ANSYS仿真过程相对应的三个应力测试试验,验证理论分析以及仿真模型的正确性与有效性。
使用APDL和UIDL对ANSYS界面进行二次开发,并利用ANSYS软件提供的优化模块,通过对钻桅参数化建模,研究钻桅主要参数对钻桅变形受力的影响,确定各参数的最优组合,改善钻桅的受力变形,减小钻桅重量。
本文利用有限元法分析和现代优化设计方法,提高计算的准确度、效率,缩短产品设计周期,提高产品质量和可靠性,产生明显的经济效益,具有一定的新颖性和先进性。
【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TU67【目录】：
ABSTRACT4-9
第一章 绪论9-18
1.2 旋挖钻机概述9-13
1.2.1 旋挖钻机的结构特点9-11
1.2.2 旋挖钻机的工作原理11-12
1.2.3 旋挖钻机的施工工艺及其技术优点12-13
1.3 国内外旋挖钻机研究现状13-16
1.3.1 国外研究现状13-14
1.3.2 国内研究现状14-16
1.4 论文来源、研究的意义及主要研究内容16-18
1.4.1 论文来源16
1.4.2 论文研究的意义16-17
1.4.3 论文主要研究内容17-18
第二章 旋挖钻机钻桅的理论分析18-28
2.1 旋挖钻机钻桅简介18-19
2.1.1 钻桅的结构及作用18
2.1.2 钻桅的分类18-19
2.1.3 钻桅的工作原理19
2.2 旋挖钻机钻桅杆系的结构分析19-20
2.3 旋挖钻机钻桅工况受力分析20-27
2.3.1 起架工况受力分析20-23
2.3.2 提钻工况受力分析23-26
2.3.3 钻进工况受力分析26-27
2.4 本章小结27-28
第三章 旋挖钻机钻桅有限元分析28-44
3.1 有限元分析理论28-30
3.1.1 有限元法的概念28-29
3.1.2 有限元法的分析过程29-30
3.2 ANSYS软件简介30-31
3.2.1 ANSYS的组成及主要技术特点30-31
3.2.2 ANSYS有限元分析的过程31
3.3 旋挖钻钻桅有限元模型的建立31-37
3.3.1 钻桅有限元分析方法的研究31-33
3.3.2 实体模型的建立33-34
3.3.3 网格划分34-36
3.3.4 载荷的施加36-37
3.4 旋挖钻钻桅有限元分析的研究37-43
3.4.1 水平起架工况有限元分析37-39
3.4.2 极限提钻工况有限元分析39-40
3.4.3 极限钻进工况有限元分析40-43
3.5 本章小结43-44
第四章 实验研究44-55
4.1 钻桅变幅液压缸压力测试实验44-48
4.1.1 实验目的和内容44
4.1.2 实验条件44-45
4.1.3 实验过程及结果分析45-48
4.2 钻桅应力测试实验48-54
4.2.1 实验目的和内容48
4.2.2 实验条件48-49
4.2.3 实验原理49-51
4.2.4 实验过程及结果分析51-54
4.3 本章小结54-55
第五章 钻桅的优化设计及ANSYS界面二次开发55-70
5.1 工程机械优化设计理论55-58
5.1.1 工程机械优化设计概述55-56
5.1.2 工程机械优化设计步骤56-57
5.1.3 约束问题的间接优化方法57-58
5.2 钻桅ANSYS分析界面二次开发58-64
5.2.1 ANSYS二次开发简介58-60
5.2.2 ANSYS界面的二次开发60-64
5.3 旋挖钻机钻桅有限元优化64-69
5.3.1 参数化建模64-66
5.3.2 优化设计66-68
5.3.3 优化结果分析68-69
5.4 本章小结69-70
第六章 总结与展望70-72
6.1 全文总结70-71
6.2 工作展望71-72
参考文献72-77
攻读硕士学位期间主要的研究成果78
攻读硕士学位期间发表及录用论文情况78
攻读硕士学位期间参加的科研项目78
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毕业设计（论文）-旋挖钻机钻桅及提升卷扬机构的设计【全套图纸】
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内容提示：旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备，被广泛应用于水利工程、高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工。桅杆作为旋挖钻机主执行机构的重要支撑和受力构件，是旋挖钻机工作的重要组成部分，对于保证钻机的正常运行和工作质量起着重要作用。旋挖钻机的卷扬有主副卷扬2种，卷扬的结构采用卷扬减速机，具有卷扬、下放、制动功能，主卷扬应具有自由下放功能，且实现快、慢双速控制。副卷扬用以提升钻具、吊放护筒、下钢筋笼等，是旋挖钻机进行正常工作的辅助起重设备。为了防止副卷扬钢丝绳上升时自桅杆顶部脱出，在桅杆顶部设有防过卷开关，将开关信号引到电磁阀，通过控制先导油路来控制主阀副卷扬联动作，从而控制副卷扬马达的回转。主、副卷扬应配有压绳器。液压系统是钻机的能源转换系统, 也是钻机各职能部件的控制系统。
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旋挖钻机及变幅机构结构设计
随着全球经济的高速发展以及改革开放的逐步深化,基本建设范围的持续拓宽,旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩成孔设备,被广泛应用于水利工程、高层建筑、城市交通建设、铁路公路桥梁等桩基础工程的施工。旋挖钻机能适应我国大部分地区的地质条件,成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。
本课题在充分调研了国内外钻孔设备的实际应用前提下,了解和分析国现有的大型钻孔装备的技术特点,提出了旋挖钻机总体设计方案,完成了旋挖钻机主要部件的选取及变幅机构的结构设计。在设计中引入CAD绘图技术,利用Pro/e软件建立了旋挖钻机变幅机构的三维模型,使其实体化、可视化,缩短了设计周期。最后通过虚拟样机仿真Pro/e软件对旋挖钻机变幅机构进行了动力学仿真和分析,得到了变幅机构在变幅过程中各构件运动状态,确保所设计的机械结构满足使用要求。
关键词 旋挖钻机;变幅机构;结构设计
第1章 绪论 1
1.1 课题背景研究的目的及意义 1
1.2 国内外旋挖钻机的研究现状 1
1.2.1 国内研究现状 1
1.2.2 国外研究现状 3
1.3 本论文主要工作内容 4
1.4 本章小结 4
第2章 旋挖钻机总体设计 1
2.1 旋挖钻机工作原理 1
2.2 结构总体设计 1
2.2.1 设计要求 2
2.2.2 主要技术参数 2
2.2.3 总体布置 3
2.3 运动分析 3
2.3.1 钻孔运动 4
2.3.2 升降运动 5
2.3.3 变幅运动 6
2.3.4 上车回转运动 8
2.4 动力分析 8
2.4.1 旋挖钻斗动力 8
2.4.2 回转机构动力 9
2.4.3 变幅机构动力 11
2.5 本章小结 13
第3章 旋挖钻机总体设计 14
3.1 旋挖钻机工作主要原件选型 14
3.2 动力头机构 14
3.3 变幅机构 15
3.4 卷扬机构 16
3.5 本章小结 17
第4章 旋挖钻机总体设计 18
4.1 三维设计简介 18
4.2 Pro/ENGINEER简介 18
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旋挖钻机变幅机构动力学特性研究及其优化设计
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