旋挖钻机钻桅结构力学特性分析及参数优化

论文摘要

旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工机械装备，凭借其钻进效率高、成孔质量好、自动化程度高和环境污染小等优点，已广泛应用于各类大型交通工程建筑及工民建领域，并在国内外的桩基础施工工程中占领了主力地位。钻桅是旋挖钻机的重要受力部件，对作业质量和整机稳定性起着至关重要的作用，因此对钻桅进行力学特性分析和优化设计显得尤为重要。本文首先介绍了国内外的旋挖钻机概况，通过分析旋挖钻机和钻桅的结构和工作原理，引出了本文的研究内容和研究意义。结合钻桅的工作特点，找到钻桅工作的典型工况，并对钻桅在典型工况下进行了力学分析，计算出各个关键点的受力。利用三维造型软件Solidworks建立钻桅的模型并利用有限元分析软件ANSYS Workbench建立钻桅的有限元模型，对钻桅在典型工况下进行了静强度、刚度分析，得到了钻桅的应力、应变情况，发现其薄弱区域和过剩部位，为进一步优化和改进钻桅结构提供依据。通过现场实验，实验结果表明测量值和计算分析数据相吻合，验证理论分析以及仿真模型的正确性与有效性；同时对钻桅进行了屈曲稳定性分析，得到了钻桅的前六阶稳定性系数和屈曲模态，仿真表明钻桅结构满足稳定性要求；接着对钻桅进行了模态分析，得到了前六阶的频率和振型，为结构的动态特性预测及优化设计提供了基础。最后结合有限元分析的结果，以钻桅结构的自重作为目标函数，利用ANSYSWorkbench的优化模块，通过参数化建模，对钻桅的结构参数进行了优化，紧接着对优化后的钻桅进行了强度、刚度、屈曲稳定性及模态分析，结果表明，优化后的结构更加合理和可靠。通过分析为旋挖钻机桅杆的设计和应用在理论和设计方面提供一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 旋挖钻机简介
• 1.1.1 旋挖钻机结构
• 1.1.2 旋挖钻机工作原理
• 1.1.3 旋挖钻机的分类
• 1.1.4 旋挖钻机的用途
• 1.2 旋挖钻机的国内外现状及发展趋势
• 1.2.1 旋挖钻机国外现状及发展趋势
• 1.2.2 旋挖钻机国内现状及发展趋势
• 1.3 课题研究的意义及内容
• 1.3.1 本课题研究的意义
• 1.3.2 课题研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 旋挖钻机钻桅受力状况分析
• 2.1 钻桅的结构及工作原理
• 2.1.1 钻桅的结构
• 2.1.2 钻桅的工作原理
• 2.2 钻桅分类
• 2.2.1 钻桅结构分类
• 2.2.2 钻桅截面形式
• 2.4 钻桅工况分析
• 2.4.1 提钻工况受力分析
• 2.4.2 钻进工况受力分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 旋挖钻机钻桅结构有限元分析
• 3.1 ANSYS 及 Workbench 模块简介
• 3.2 钻桅有限元模型的建立
• 3.2.1 Workbench 有限元模型的建立
• 3.2.2 材料属性参数
• 3.2.3 网格的划分
• 3.2.4 约束处理
• 3.2.5 载荷施加
• 3.3 静强度与静刚度分析
• 3.3.1 最近变幅距离最大提钻工况
• 3.3.2 最远变幅距离最大提钻工况
• 3.3.3 最大钻进工况
• 3.4 钻桅屈曲分析
• 3.5 钻桅模态分析
• 3.5.1 模态分析概述
• 3.5.2 模态分析理论
• 3.5.3 模态提取方法
• 3.5.4 基于 ANSYS Workbench 的模态分析
• 3.5.5 钻桅模态分析结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 钻桅应力测试实验研究
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 实验目的与内容
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验原理
• 4.2 实验结果处理与分析分析
• 4.2.1 钻桅垂直，最大提升力直接提钻工况应力测试
• 4.2.2 钻桅垂直，最大钻进工况应力测试
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻桅结构优化设计
• 5.1 优化设计概述
• 5.2 基于 ANSYS Workbench 的优化设计
• 5.3 钻桅优化数学模型的建立
• 5.3.1 设计变量的选取
• 5.3.2 目标函数的建立
• 5.3.3 约束条件的确定
• 5.4 钻桅优化设计结果与
• 5.4.1 设计变量和目标函数的确立
• 5.4.2 优化计算工况的选取
• 5.4.3 优化结果分析
• 5.5 钻桅优化后的静强度、静刚度分析
• 5.6 钻桅优化后的屈曲分析
• 5.7 钻桅优化后的模态分析
• 5.8 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢