新型挤扩变径灌注桩成型机CAE研究

论文摘要

新型挤扩变径灌注桩成型机是用来形成挤扩变径桩的一种桩工机械,是一种全新的挤扩设备,许多问题等待人们去探索和研究。 本文首先介绍了挤扩变径桩成型机的研究发展历程及当前国内外研究现状,具体介绍了新型挤扩变径灌注桩成型机工作装置,并指出变径桩成型机研究中存在的问题。新型挤扩变径灌注桩成型机在工作中的主要负荷是土层对挤扩装置的挤扩臂的挤扩阻力,由于土体的复杂性,人们对挤扩臂与土壤间受力变形的规律缺乏应有的研究,目前设计多基于经验和类比。而挤扩臂作为主要的功率输出和受力部件,其强度和刚度是否满足设计要求,将直接影响桩成型机的使用寿命和变径灌注桩承力盘的质量。 本文针对这些问题,从五个方面进行了深入研究。本文首先从土的本构关系出发,对工程计算中应用较广的几种弹塑性模型的屈服准则进行分析和比较,最终选用Drucker—Prager屈服准则确定了桩基土体本构模型。然后借助国际上先进的CAE软件—ANSYS,利用土塑性力学圆孔扩张理论,首次将有限元方法应用到新型挤扩变径灌注桩成型机的挤扩效应的研究,对新型挤扩变径灌注桩成型机的挤扩效应进行弹塑性的非线性有限元分析,建立了土壤挤压计算有限元模型,得出各类土中桩孔壁土的径向位移S与径向挤压应力P的关系曲线,反映了土体在挤扩过程中的运动规律。在此基础上,对几类工程土样的P-S曲线变化规律综合图进行了分析和比较,得出一些有益的结论,为分析挤扩臂强度以及进一步的试验、理论研究提供科学依据和技术指导。另外,根据有限元数值模拟结果获得的位移—载荷数据列表,用MATLAB软件拟和出几种代表性的工程土样的P-S曲线方程。然后,本文对新型挤扩变径灌注桩成型机工作机构整机及各构件进行力学分析,建立机构力学模型和力学方程,并推导了挤扩机构在不同土质中工作阻力和液压驱动力随挤扩臂位移的变化规律曲线;确定挤扩机构在密实细砂中的挤扩作业终止位置为挤扩臂的最大受力工况位置,并求出挤扩臂在最大工况位置的载荷和反力值,为挤扩装置的优化和改进提供一定的理论依据。在上述四方面研究成果的基础之上,本文应用ANSYS软件对挤扩臂进行三维接触非线性有限元静强度分析,得出挤扩臂在最大受力载荷下的应力、变形分布情况,并进行强度校核,

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 变径桩成型机研究发展历程及当前国内外研究现状
• 1.2.1 桩端扩孔设备
• 1.2.1.1 非挤土灌注桩的扩底施工设备
• 1.2.1.2 部分挤土灌注桩的扩底施工设备
• 1.2.2 变径挤扩桩成型机
• 1.2.2.1 挤扩多支盘桩成型机
• 1.2.2.2 多节挤扩桩成型机
• 1.2.2.3 新型挤扩变径灌注桩成型机
• 1.3 新型挤扩变径灌注桩成型机工作装置简介
• 1.3.1 成型机的主要技术性能参数
• 1.3.2 成型机总体系统图
• 1.3.3 成型机主机结构及特点
• 1.3.4 成型机施工工艺过程及工作原理
• 1.4 变径挤扩桩成型机研究中存在的问题
• 1.5 本文研究的目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 土体本构模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 屈服条件与屈服面，破坏条件和破坏面
• 2.3 几种屈服准则
• 2.3.1 Mises屈服准则
• 2.3.2 Mohr-Coulomb屈服准则
• 2.3.3 Drucker-Prager屈服准则
• 2.4 桩基土体本构模型的确定
• 2.4.1 流动法则
• 2.4.2 加工硬化规律
• 2.4.3 D-P模型本构方程
• ep'>2.4.4 D-P模型弹塑性矩阵[D]_ep
• 2.5 圆孔扩张问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 新型挤扩变径灌注桩成型机挤扩效应数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 进行有限元分析的必要性
• 3.3 有限单元法理论
• 3.3.1 有限元求解步骤
• 3.3.2 平面应变矩形四节点轴对称单元刚度矩阵的推导
• 3.3.3 有限元软件ANSYS介绍
• 3.3.4 全牛顿-拉普森（N-R）非线性有限元求解方法
• 3.4 有限元模型
• 3.4.1 基本假设
• 3.4.2 单元类型
• 3.4.3 土体材料
• 3.4.3.1 DP材料
• f的定义'>3.4.3.2 粘聚力C、内摩擦角Φ以及膨胀角Φ_f的定义
• 3.4.3.3 土体有限元计算的物理力学参数
• 3.4.4 有限元模型的建立
• 3.4.5 加载求解
• 3.5 有限元计算结果
• 3.6 分析与讨论
• 3.7 各类土的P-S曲线方程
• 3.8 本章小结
• 第4章 工作机构受力状态的分析与研究
• 4.1 引言
• 4.2 工作机构运动简图
• 4.3 挤扩机构力分析
• 4.4 工作机构力学方程
• 4.5 工作阻力分析
• 4.5.1 两点假设
• 4.5.2 工作阻力的计算
• 4.6 挤扩机构液压驱动力P的变化曲线
• 4.7 挤扩臂最大受力工况确定
• 4.8 最大受力工况位置的载荷和反力值
• 4.9 结论
• 4.10 本章小结
• 第5章 挤扩臂有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 挤扩臂有限元模型的建立
• 5.2.1 挤扩臂实体建模
• 5.2.2 材质参数
• 5.2.3 单元类型的选取
• 5.2.3.1 SOLID45单元
• 5.2.3.2 SOLID92单元
• 5.2.3.3 CONTA174-三维接触单元与TARGE170-三维目标单元
• 5.2.4 单元网格的划分
• 5.3 接触状态的模拟和边界条件处理
• 5.3.1 创建接触对
• 5.3.2 接触非线性的算法
• 5.3.3 载荷边界条件和位移边界条件
• 5.4 计算结果与分析
• 5.4.1 应力分析
• 5.4.2 变形分析
• 5.5 讨论与分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文