YZY400静力压桩机设计开发大身结构有限元应力强度分析有设计图纸doc文档格式.docx
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2.智能化操作与施工的压桩机开发。
开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。
3.异型桩夹持装置的刀发。
特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。
4.压桩力大、质量轻机型产品的开发。
特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发月的新领域。
5.适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。
6.产品向高档次、高可靠性方向发展。
1.3静压桩机概述
随着液压技术的发展，我国在20世纪70年代开始研制生产静压桩机。
采用静压桩机将桩逐段压入土层中具有如下明显的优点。
1.在施工中无振动、无噪声、无污染，在城市居住密集区施工有明显的优越性o
2.油于桩是通过静力压入土层，桩没有受到锤击桩时所引起的拉伸应力波的冲击，因
此桩内的钢筋配置和混凝土的强度均可比柴油锤锤击桩要小，这样可节约桩的工程成本。
经统计，与打击桩相比，静压桩可节约钢材47％，水泥12％。
3.采用柴油锤打桩，桩周边土壤有一定程度的“液化”，因此，桩要经过一段时间
“休息”后，才具有真实的承载力，静压桩在施工中不会对桩周边土壤产生较大的干扰，所压入桩的最终压力基本上体现了桩的实际承载力，因此施工完成后．根据压人过程的压力曲线可迅速计算出桩的实际承载力。
4.基本上无断桩。
5.可以直接用静压校机对桩进行静载试验。
虽然静压桩有上述优点，但由于静压桩机要配有较多的配重，整个机器的拼装、运输及工作效率仍然比打击桩低，所以目前仍不如柴油锤打击桩与钻孔桩普及。
但随着城市的发展，对噪声及泥浆污染进行越来越严格的限制，静压桩机必将越来越受到市场的重视。
1.4YZY系列静压桩机的构造与工作原理
YZY400型静压桩机的构造:
它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。
1．支腿平台结构
该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。
底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。
配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。
支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。
球铰的球头与短船行走及回转机构相联。
整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。
底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。
2．长船行走机构为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。
液压缸活塞杆球头与船体相联接。
缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。
工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。
顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。
短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。
3.短船行走机构与回转机构它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。
回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。
行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成—体。
液压缸的一端与船体铰接．另一端与行走梁铰接。
工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地．然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。
顶升液压缸回程，长船离地，短船落地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。
上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。
桩机的回转动作是：
长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出—个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。
油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。
重复上述动作，可使整机回转到任意角度。
4．夹持机构与导向压桩架该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。
夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。
压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。
然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。
压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。
1.5大身结构总述
大身是整台液压静力压桩机的重要组成部分，一方面它承受着整个压桩机除行走（或支撑）部分的全部重量，并使桩机的起重机、压桩结构能够协调的工作。
另外，它连接了桩机上部结构与下部结构，使本来不能移动的上部结构能够通过下部结构行走、移位。
因此，大身结构设计将直接影响整个桩机的操作性能、工作性能。
1.6大身结构的设计原则
（1）满足刚度、强度、稳定性要求
众所周知，大身是整台桩机重要组成部分，桩机的上部结构包括驾驶室、立柱、起重机、配重等都作用在大身上。
而且，这些重量巨大，因为压桩机的自重决定了最大的压桩能力。
所以在大身结构设计时一定要考虑其强度。
另外，如果大身结构刚度不够，在打桩时大身就会产生较大的变形。
这必然会影响打桩的精度，如使桩机无法对准桩位或者使桩在压入时造成倾斜而造成作业无效。
（2）大身结构与相关的部件在尺寸上的协调
与大身相连的结构有立柱、大船（横向）、小船（纵向）及驾驶室、支腿、支柱和油箱、泵、电机构件。
大身的结构设计一定要使这些部件能合理布置。
（3）方便操作
大家知道,整台液压静力压桩机的有效部件都是布置在大身上的。
在大身结构设计时一定要考虑各部件操作时连续性与合理性。
因此，在结构设计时要考虑桩机操作性能。
（4）方便维修（可维修行）
在设计时要考虑万一所设计的部件出现故障或者相关部件出现故障后可维修性。
如果所设计的结构不具有可维修性，而因结构的一点小故障而葬送整个结构，这样的结构设计也是不合理的。
（5）经济性
现在是市场经济时代，效益是生存之本。
怎样获取高的效益，当然是在满足要求的情况下获得最简单的结构设计，获取最大的经济效益。
１.7本毕业设计（论文）的主要工作
（1）了解分析全液压静力压桩机的结构与原理；
（2）运用CAD画出全液压静力压桩机大身结构主要零部件的图纸；
（3）根据大身的结构特点，应用大型有限元分析软件ANSYS，建立大身结构有限元分析模型，求解它在工作状态下的应力情况以进行必要的强度分析；
（4）如果分析所得最大应力超过了材料的许用应力，则对设计方案提出改进意见。
2有限元理论概述
有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法,是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具,最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力．它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术；
后来由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法．目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到广泛的应用，因此，在工科院校和工业界受到普遍的重视。
在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部荷载的不规则性，求得解析解却是很困难的。
因此，寻求近似解法就成了必由之路．经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。
差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值（差分网格上的点）。
但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了。
有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域（单元）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。
由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件．再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。
在实际研究中我们常常把复杂系统分解成性态容易了解的单个元件或“单元”，研究其性态，再将这些元件重建原来的系统以得到整体性态。
这是工程技术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。
有限元的基本思想，可以从两个不同的角度去理解，但其实质却是一样的。
一种是朴素的，实质上是工程的推想：
把一个连续的弹性体（或是结构）简化为由若干个离散的元素组合而成的等效组合体。
而整个结构又是由有限个数目的元素组合而成的，当然也可以用有限个参数来加以描述。
所以它的基本方程式将是一个代数方程组，在数学上属于离散体系。
即用代数方程组来取代描述真实弹性体的微分方程组，在求解时当然极为有利。
另一方面，从数学的角度来看，有限元是求解数学物理方程的一种数值方法。
在有限元中，测试函数要“分片地”选取。
这就是说：
首先把整个域划分成若干“子域”，然后分别在子域上选取测试函数，并要求这些测试函数在各个子域内部，在子域之间地分界面上（称为内部边界）以及子域与边界地分界面上（称为外部边界）有均满足一定的条件（譬如位移协调或应力平衡）
2.1有限元基本理论
2.1.1有限元理论的基本思想
（1）假想把连续系统（包括杆系，连续体，连续介质）分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点（称为节点）处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。
在节点上引进等效载荷（或边界条件），代替实际作用于系统上的外载荷（或边界条件）。
（2）对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则（由力学关系或选择一个简单函数）建寸求解未知量与节点相互作用（力）之间的关系（力——位移、热量——温良、电压——电流等）。
（3）把所有单元的这种特性关系按一定的条件（变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理）集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量（位移、温度、电压等）为未知量的代数方程组，求解之就得到有限个节点处的待求变量。
所以．有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。
2.1.2有限元理论的特点
有限元方法应用于大量问题，既包括结构问题，也包括非结构问题。
这种方法有很多优缺点，因而变得很普遍。
这些优缺点包括：
（1）可以很容易地模拟不规则形状的结构。
（2）可以毫无困难地处理一般的载荷条件。
（3）因为单元方程是单个地建立的，因此可以模拟由几种不同材料构成的物体。
（4）可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。
（5）单元的尺寸大小可以变化，必要时可使用小单元。
（6）改变有限元模型比较容易，花费不大。
（7）可包括动态作用。
（8）可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。
结构有限元分析使设计者能在设计过程种探知应力，振动和热应力问题，能够在构造样板之前对设计更换做出估计。
因此，对样本可以接受的信心就增强了。
此外，如果用得适当，有限元方法还可以减少必须建造的样板的数量。
虽然有限元方法开始时是用于结构分析的，它已被修改可适用于工程和数学物理领域的其他学科，如流体流动，热传导，电磁电位，土力学和声学
（9）概念清楚，容易理解。
可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。
从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导
（10）适应件强，应用范围广泛。
有限元法可以用来求解工程
中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限差分法）求解困难的问题、如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非均质、非线性材料问题，动力学问题等。
目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展。
今后将更加完善和使用范围更加广泛。
（11）有限无法采用矩哭杂阵形式表达，便于编制计算机程序．可以充分利用高速数字计算机的优势。
由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。
著名的有SAP系列，ADINA．ANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。
（12）有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制（或具有）计算机程序，必须运用计算机求解；
另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。
然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已不再困难。
对于后一缺点可通过用计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或全部地解决。
2.1.3有限元的前后处理
一般来讲，有限元法的分析过程包括以下几步：
（1）计算模型的几何部分，数据生成和数据淮备；
（2）计算分析；
（3）计算结果的分析、整理和图形显示。
有限元发展初期，第
（1）步和第（3）步工作都是由人工来做的，既耗费时间又容易出错。
有统计资料表明，由手工剖分有限元计算模型，其工作量占到整个有限元分析过程工作量的45%。
用人工分析有限元计算结果则要占整个工作量的50％，而计算分析由于是计算机完成，工作量只占全部工作量的5％。
以第
（1）步工作为例．首先要将所分析的模型按一定的比例放大或缩小地画在坐标纸上，其次按所选定的单元形式对它进行剖分，按一定的顺厅编单元号和节点号。
然后，准备各种数据以供有限元分析之用。
这些数据主要有：
节点信息——包括节点编号和节点的二维或三维坐标；
单元信息——包括单元编号及单元中节点号的排列顺序；
材料信息——包括计算模型的材料性质（弹性模量、泊松比、比热、导热系数等）；
载荷信息——包括计算模型所受负载信息（集中力、体积力、表面力、温度、压力等）；
约束信息——包括计算模型的初始条件和边界条件。
最后还必须将所有这些数据一一输入计算机。
有限元分析的前处理就是使计算模型的集合部分、数据生成和数据输入这部分工作部分或完全由计算机自动完成。
而有限元分析的后处理则是将有限元计算结果由计算机整理成易于阅读或分析的数值或图形形式。
2.1.3.1有限元分析的前处理技术
有限元法的前处理主要有下列内容：
（1）计算模型的几何表示；
（2）模型网格的自动剖分；
（3）刚度矩阵的带宽优化；
（4）模型网格图的计算机绘制。
2.1.3.2有限元分析的后处理技术
有限元的计算结果是大量的数值数据．从打印的数值结果中很难直接分析计算结果是否正确，是否合理，甚至看不出是否得到了预期的结果。
例如结构强度分析问题，计算结果是节点位移值和应力值，位移值表示结构的变形．应力值可分析结构的安全性。
但从成干上万的位移数据和应力数据中是看不出结构的变形情况和应力分布情况的。
因此，必须对有限元计算结果进行再分析、再处理。
2.2ANSYS软件简介
有限单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。
国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的如SAP、ANSYS、ADINA、NASTRAN、ALGOR—FEM等。
本论文中所用的是ANSYS软件，在此只对ANSYS软件进行简要介绍。
ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。
自1970年美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanson博士开发出ANSYS以来，在30多年的发展过程中，ANSYS不断改进提高，功能不断增强。
2.2.1ANSYS主要技术特点
ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：
（1）数据统一。
ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。
（2）强大的建模能力。
ANSYS具备三维建模能力、仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。
（3）强大的求解功能。
ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。
（4）强大的非线性分析功能。
ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。
（5）智能网格划分。
ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。
（6）良好的优化功能。
利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案；
利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化．寻求物体对材料的最佳利用。
（7）可实现多场耙合功能。
ANSYS可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场间的相互影响。
（8）提供与其他程序接口。
ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换、如PPro/Engineer、NASTRAN、Algor-FEM、I—DEAS、AutoCAD、Solidworks、Parasolid等。
（9）良好的用户开发环境。
ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL、UIDL和UPFS对其进行二次开发。
2.2.2ANSYS主要功能
1．结构分析
结构分析用于确定结构在荷载作用下的静、动力行为，研究结构的强度、刚度和稳定。
2．热力学分析
热力学分析用于分析系统或部件的温度分布，以及其他热物理参数，如热梯度、热流密度等。
3．流体分析
流体分析用于确定流体的流动及热行为。
4．ANSYS电磁场分析
电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流能耗及磁通量泄漏等。
5．耦合场分析
耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。
当两个物理场之间相互影响时，单独求解一个物理场得不到正确结果，因此需要将两个物理场组合到一起来分析求解。
ANSYS中可以实现的耦合场分析包括；
热一结构、磁—热、磁一结构、流体一热、流体一结构、热一电、电一磁—热—流体一结构等。
本论文中仅仅用到结构分析当中的静力分析和模态分析。
其中静力分析是用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特性。
例如：
大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。
模态分析是计算线性结构的自振频率及振形。
2.2.3ANSYS一般分析步骤
ANSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。
1．前处理
定义工作文件名
设置分析模块。
定义单元类型和选项。
定义实常数。
定义材料特性。
建立分析几何模型。
对模型进行网格划分。
施加荷载及约束。
2．求解计算
选择求解类型。
进行求解选项设定。
3．后处理
从求解计算结果中读取数据。
对计算结果进行各种图形化显示。
可对计算结果进行列表显示。
进行各种后续分析。
３全液压静力压桩机大身的建模与分析
３.1YZY系列静压桩机的构造与工作原理
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