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液壓靜力壓樁機(jī)是實(shí)施靜力壓樁工法的關(guān)鍵施工設(shè)備。這種設(shè)備施工時(shí)具有無(wú)震動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)油污飛濺、施工質(zhì)量好、使用費(fèi)用低、工作效率高、壓樁速度快、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，是具有中國(guó)特色的環(huán)保型樁工機(jī)械。正是由于液壓靜力壓樁機(jī)具有這些特點(diǎn)，所以在現(xiàn)代建筑基礎(chǔ)施工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于液壓靜力壓樁機(jī)工作條件不好，工況復(fù)雜，致使壓樁機(jī)的懸臂在工作中發(fā)生開裂，降低使用壽命或不能滿足工程施工的要求而影響施工。液壓靜力壓樁機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大多是利用材料力學(xué)知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)度分析的，往往注重的是宏觀結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面的要求，而忽略了其微觀特征。本研究利用有限元分析方法，在短船懸空，長(zhǎng)船著地支撐且均勻受力這一典型工況下，對(duì)液壓靜力壓樁機(jī)懸臂進(jìn)行靜態(tài)分析，闡述液壓靜力壓樁機(jī)懸臂受力特征，探討結(jié)構(gòu)優(yōu)化的途徑。
利用材料力學(xué)知識(shí)，液壓靜力壓樁機(jī)在短船懸空，長(zhǎng)船著地支撐且均勻受力這一典型工況下，其懸臂可視為簡(jiǎn)支梁，受力情況如圖所示。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及工作要求，利用材料力學(xué)知識(shí)分析計(jì)算可得其剪力和彎矩圖分別如圖所示。由此可知其危險(xiǎn)截面可能在D處。而D截面的結(jié)構(gòu)尺寸及形狀分別如圖所通過(guò)分析計(jì)算。
利用SolidWorks，挺立懸臂和機(jī)身的模型如圖所示。(1)利用Cosmos有限元分析軟件，對(duì)實(shí)體模型用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器按實(shí)體網(wǎng)格類型4Point形式劃分網(wǎng)格，如圖所示。(2)定義材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235C密度為7.8Xe3kg/m3；彈性模量為2.06X1O5MPa，泊松比為0.3；(3)施加載荷與約束，按工作需要添加配重，同時(shí)對(duì)四個(gè)支腿油缸進(jìn)行約束，在建立實(shí)體模型時(shí)，省略了長(zhǎng)船，四個(gè)支腿著地時(shí)，支腿球頭以一球面約束模擬。懸臂和機(jī)身受載與約束如圖。利用Directsparse解算器進(jìn)行求解，得到最大應(yīng)力為181.4MPa，應(yīng)力圖解與變形示意如圖所示。
通過(guò)上面的分析計(jì)算可知：利用Cosmos有限元分析軟件，進(jìn)行實(shí)際工況模擬分析計(jì)算得出：181.4MPa>147MPa，說(shuō)明懸臂的工作情況是不安全的，這與實(shí)際情況是相符合的。利用材料力學(xué)得出的結(jié)論與實(shí)際情況有出入，認(rèn)為主要有以下幾方面的原因：(1)材料力學(xué)的模型是一簡(jiǎn)支梁，這與實(shí)際情況是不符合的。(2)材料力學(xué)計(jì)算中，把機(jī)身與懸臂機(jī)構(gòu)當(dāng)成一個(gè)整體，忽略了它們之間的聯(lián)接，這樣，計(jì)算中的受力情況與實(shí)際受力情況是不完全一致的。
(1)利用Cosmos有限元分析時(shí)，懸臂的變形與實(shí)際變形情況完全一致，產(chǎn)生裂紋或發(fā)生開裂的情形與實(shí)際情況也幾近相同，這說(shuō)明利用有限元分析的結(jié)果與實(shí)際情況是相符合的。(2)利用有限元分析時(shí)，明確標(biāo)示出構(gòu)件受力最大的區(qū)域和受力的最大值與最小值點(diǎn)，這為優(yōu)化結(jié)構(gòu)指明了方向。(3)根據(jù)懸臂受力的最大區(qū)域與最大值點(diǎn)，對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行如下改善：一是對(duì)懸臂旋轉(zhuǎn)座的應(yīng)力較大區(qū)域焊接加強(qiáng)筋板；二是對(duì)懸臂與機(jī)身連接的銷軸進(jìn)行強(qiáng)化處理，或者將銷軸用力學(xué)性能更好的材料來(lái)制作，以提高其承載能力。
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