新型冲击式液压桩锤系统设计及仿真研究

论文摘要

论文结合吉林省科技发展计划项目“新型冲击式液压桩锤的研制”,在综述国内外液压桩锤研究成果的基础上,以工作平稳、传动效率高和结构紧凑为目标,进行了冲击式液压桩锤的创新设计,采用了单作用氮气储能式液压缸使结构更紧凑,应用中转油箱减小排油阻力,采用具有充填金属颗粒的中空锤头延长打击时间等新方法。提出了新型冲击式液压桩锤的评价体系,包括功能性、功效性、平稳性和环保特性指标。对新型冲击式液压桩锤液压系统和控制系统进行了设计,提出了液压桩锤主要参数的计算方法。进行了基于虚拟样机软件ADAMS的新型冲击式液压桩锤多领域建模方法研究,实现了液压桩锤机械系统与液压系统的耦合,对新型液压桩锤的工作性能进行了仿真分析。提出以液压桩锤-桩-土构成的系统为研究对象,建立桩锤动态冲击过程和锤头局部细节应力分析的有限元模型,模拟了桩锤、锤垫、桩帽、桩垫和桩体之间的相互作用,获得了锤头关键点的应力在冲击过程中变化规律。在此基础上,设计制造了新型液压桩锤物理样机,并测试了样机的冲击性能和液压系统动态性能,对虚拟样机的仿真结果进行了验证。本文对于新型液压桩锤多学科复杂机电产品建模及仿真技术的研究具有一定的学术价值。新型冲击式液压桩锤的工程应用对于提高我国建筑施工自动化技术水平具有重要意义。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 液压桩锤国内外研究现状
• 1.2.2 虚拟样机技术及其软件平台
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 新型冲击式液压桩锤的结构特点及评价指标
• 2.1 液压桩锤沉桩的力学原理
• 2.2 新型冲击式液压桩锤的结构特点
• 2.3 冲击式液压桩锤的评价指标体系
• 2.3.1 功能性指标
• 2.3.2 功效性指标
• 2.3.3 平稳性指标
• 2.3.4 环保性指标
• 2.4 本章小结
• 第3章 新型冲击式液压桩锤液压系统和控制系统
• 3.1 液压系统的设计
• 3.1.1 最大冲程时流量确定
• 3.1.2 任意冲程时打击频率计算
• 3.1.3 系统压力确定
• 3.1.4 系统压力波动率计算
• 3.1.5 系统传动效率计算
• 3.1.6 热平衡
• 3.2 控制系统的设计
• 3.2.1 控制系统的功能及构成
• 3.2.2 控制系统的硬件设计
• 3.2.3 控制系统的工艺流程和特点
• 3.3 本章小结
• 第4章 新型冲击式液压桩锤虚拟样机的建立
• 4.1 液压桩锤机械系统虚拟样机模型
• 4.2 液压桩锤有限元模型
• 4.2.1 锤头局部细节应力分析有限元模型
• 4.2.2 液压桩锤锤击过程动态非线性分析有限元模型
• 4.3 液压系统虚拟样机模型
• 4.3.1 冲击式液压桩锤液压系统
• 4.3.2 ADAMS/Hydraulics
• 4.3.3 ADAMS中液压元件的数学模型
• 4.3.4 ADAMS中液压桩锤液压系统建模实现
• 4.3.5 主要液压元件参数设置
• 4.4 液压桩锤虚拟样机的集成
• 4.4.1 机械系统与液压系统的集成
• 4.4.2 控制系统与液压系统的关联
• 4.5 本章小节
• 第5章 液压桩锤动态性能求解算法
• 5.1 动态冲击边界条件
• 5.2 液压桩锤动态特性求解方法
• 5.2.1 动态有限元法基本方程
• 5.2.2 时间积分与步长控制
• 5.2.3 单元积分与沙漏控制
• 5.2.4 求解步骤
• 5.3 本章小结
• 第6章 液压桩锤性能仿真结果及分析
• 6.1 虚拟样机模型参数
• 6.2 静态极限载荷工况结果分析
• 6.2.1 液压缸氮气储能室耐压试验
• 6.2.2 锤体中转油箱耐压试验
• 6.2.3 提升工作腔耐压试验
• 6.2.4 氮气工作腔耐压试验
• 6.3 锤头动态冲击应力分析
• 6.4 液压系统仿真结果分析
• 6.5 设计参数的影响
• 6.5.1 锤头质量
• 6.5.2 锤头初速度
• 6.5.3 桩垫刚度
• 6.5.4 锤垫刚度
• 6.5.5 桩体刚度
• 6.5.6 桩垫阻尼
• 6.5.7 锤垫阻尼
• 6.5.8 土体特性
• 6.6 本章小结
• 第7章 液压桩锤动态性能试验研究
• 7.1 试验参数及主要仪器设备
• 7.2 主要技术参数的确定
• 7.3 下落加速度的测试与分析
• 7.4 油源压力与油缸压力的测量与分析
• 7.5 振动测试与分析
• 7.6 仿真结果和测试结果的对比
• 7.7 本章小结
• 第8 章全文总结
• 8.1 主要研究成果
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间发表的学术论文
• 摘要
• ABSTRACT