旋挖钻机钻桅有限元强度分析及其结构参数优化

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 旋挖钻机概述
• 1.2.1 旋挖钻机的结构特点
• 1.2.2 旋挖钻机的工作原理
• 1.2.3 旋挖钻机的施工工艺及其技术优点
• 1.3 国内外旋挖钻机研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文来源、研究的意义及主要研究内容
• 1.4.1 论文来源
• 1.4.2 论文研究的意义
• 1.4.3 论文主要研究内容
• 第二章 旋挖钻机钻桅的理论分析
• 2.1 旋挖钻机钻桅简介
• 2.1.1 钻桅的结构及作用
• 2.1.2 钻桅的分类
• 2.1.3 钻桅的工作原理
• 2.2 旋挖钻机钻桅杆系的结构分析
• 2.3 旋挖钻机钻桅工况受力分析
• 2.3.1 起架工况受力分析
• 2.3.2 提钻工况受力分析
• 2.3.3 钻进工况受力分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 旋挖钻机钻桅有限元分析
• 3.1 有限元分析理论
• 3.1.1 有限元法的概念
• 3.1.2 有限元法的分析过程
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.2.1 ANSYS的组成及主要技术特点
• 3.2.2 ANSYS有限元分析的过程
• 3.3 旋挖钻钻桅有限元模型的建立
• 3.3.1 钻桅有限元分析方法的研究
• 3.3.2 实体模型的建立
• 3.3.3 网格划分
• 3.3.4 载荷的施加
• 3.4 旋挖钻钻桅有限元分析的研究
• 3.4.1 水平起架工况有限元分析
• 3.4.2 极限提钻工况有限元分析
• 3.4.3 极限钻进工况有限元分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 实验研究
• 4.1 钻桅变幅液压缸压力测试实验
• 4.1.1 实验目的和内容
• 4.1.2 实验条件
• 4.1.3 实验过程及结果分析
• 4.2 钻桅应力测试实验
• 4.2.1 实验目的和内容
• 4.2.2 实验条件
• 4.2.3 实验原理
• 4.2.4 实验过程及结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻桅的优化设计及ANSYS界面二次开发
• 5.1 工程机械优化设计理论
• 5.1.1 工程机械优化设计概述
• 5.1.2 工程机械优化设计步骤
• 5.1.3 约束问题的间接优化方法
• 5.2 钻桅ANSYS分析界面二次开发
• 5.2.1 ANSYS二次开发简介
• 5.2.2 ANSYS界面的二次开发
• 5.3 旋挖钻机钻桅有限元优化
• 5.3.1 参数化建模
• 5.3.2 优化设计
• 5.3.3 优化结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 攻读硕士学位期间发表及录用论文情况
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目