基于液压打桩机的结构设计及其优化分析

基于液压打桩机的结构设计及其优化分析

随着我国经济的快速发展，对液压打桩机的需要也与日俱增。文章基于液压打桩机的结构设计分析，以液压打桩机为研究对象，利用三维有限元软件对其进行网格划分和边界约束，这样有效了提高了有限元分析的精度。以有风和满载的工况下，对其强度和稳定性进行数值分析，得到了打桩机整机及重要的应力和位移分布云图，优化打桩机在不同工况下各个构件的应力分布情况，以此验证打桩机的结构设计，为液压打桩机的改良提供一定的参考依据。

标签：液压打桩机；结构设计；优化分析；网格划分

Abstract：With the rapid development of economy in our country，the need for hydraulic pile driver is increasing day by day. Based on the structural design and analysis of the hydraulic pile driver，this paper takes the hydraulic pile driver as the research object，makes use of the three-dimensional finite element software to carry on the mesh division and the boundary restraint，thus effectively enhances the finite element analysis accuracy. The strength and stability of the pile driver are numerically analyzed under the conditions of wind and full load. The stress and displacement distribution cloud pictures of the whole pile driver are obtained，and the stress distribution of each component of the pile driver under different working conditions is optimized，in order to verify the structural design of the pile driver and provide a certain reference for the improvement of the hydraulic pile driver.

Keywords：hydraulic pile driver；structural design；optimization analysis；grid division

引言

随着城市的高速发展，在轨道交通、高层建筑、高速路桥、铁路建设等领域都增加了对桩工机械的需求，其中，液压打桩机也不例外，打桩机的广泛使用加快了我国的基础建设[1-2]。液压打桩机是以液压锤为介质进行打桩，而液压锤主要是通过电机驱动的液压泵为其提供动力，在转换过程中，采用液压油的方式来传递动力，使得桩锤进行打桩作业。

在桩工机械的发展和进步过程中，液压打桩锤的种类和功能也不断在增加，其类型有单作用式、双作用式、静压式和振动式等液压打桩锤，其主要根据不同的使用工况来选择[3]。与此同时，也逐渐的取代了过去传统的打桩形式，更好的满足市场的需求。本文基于液压打桩机的结构分析，结合打桩机的发展历史和对现阶段国内外对液压打桩机的需求进行分析，对其工作时的状态进行有限元分析，研究其稳定性和可靠性。

1 液压打桩机的有限元分析

在分析打桩机的结构过程中，由于桩架在打桩作业时，承载着打桩设备和预制桩，以及导向、变幅的作用，因而本文主要以桩架为研究对象。打桩机的桩架结构由板材的焊接、螺栓的相互连接等构成，其桩架结构也是打桩机的重要组成部分，起着该机械设备作业时的大部分负载。由于每一台打桩机的成本比较昂贵，基本上都在几十万元以上，往往是由于机械设备的结构设计不合理、施工方操作没按标准执行，这些都会使得机械设备出现大小不一的故障，甚至发生重大安全事故和人身安全，因此，为了液压打桩机的桩架具有较好的结构和安全性能，需要对其结构进行有限元分析。

通过查阅相关文献和资料，建立打桩机的三维模型，并将其模型导入到有限元软件进行处理和分析，在对结构进行有限元分析之前，需要对模型进行网格划分，就需要对其进行简单的预处理：第一，对于模型中的缺损、重叠和错位的几何面，需要忽略对这些边线的划分，并删除重合的面、线以及线上所包含的多余的点；第二，对于模型中的细小结构，需要合理的划分，如果网格划分过小，直接增加了计算机的计算量和时间，划分出来的单元比较小；如果划分过大，这无法体现出模型的细小结构的特征。因此，在对计算结果影响不大的前提下，对这些几何特征进行相应的删除处理是非常必要；第三，忽略相关的螺纹连接件，比如：螺钉、螺母等，简化网格划分的难度。

为了建立合理而正确的有限元模型，在进行网格划分时，一般都要考虑如下几点因素：第一，网格疏密程度。为了适应结构不同位置处应力分布不同的特点，对于结构的不同部位应该采用大小不同的网格进行划分。在应力变化相对较大的部位需要划分的更为密集，才能真实的反应应力的分布情况，在应力变化比较小的区域，采用一般的单元进行划分即可；第二，网格划分的数量。在理想情况下，三维模型的网格数量越多，就能越反应真实的受力状态，这样得到的计算结果会更加精准，但三维模型的网格数量的增多，会增加计算机的计算量，增加了其运算时间，因此，应结合三维模型的实际情况和计算机的运算大小，选用适当的网格数量。第三，網格划分单元的阶次。网格单元可以分为线性、二次等形式，当然越是高阶次的单元就能更加接近模型的实际受力状态，但同样也需要面临计算机的运算，高阶次的形式，其求解的时间也要增加很多，需要根据不同的结构选取不同的单元阶次，以此反应更为真实的实际情况。第四，网格的质量。网格单元的质量，在网格划分中是比较重要的一环，其求解结果的准确性直接关系到有限元分析的精度，如果网格质量太差，就会导致分析的结果与实际模型的受力状态相差很远，因此，选取合适的网格质量进行分析。对整个打桩机的重要构建的网格划分如下：第一部分，立柱单节总成。立柱由各个立柱单节依靠螺栓连接而成，并与回转平台、斜支撑等结构相连。在进行网格划分时，爬梯对分析的影响很小，在几何处理过程中作删除处理，不进行网格划分。在立柱单节圆筒与法兰连接处等地方，采用了一定数量的三角形单元进行过度。对于相同的单节立柱，进行单元的复制和镜像等处理，节省网格划分的时间。第二部分，回转平台总成。回转平台结构主要由薄壁钢材焊接而成，包括回转前平台、回转后平台、法兰、回转支承凸台、斜支撑梁和回转减速机架等部分。回转平台在总体上是对称结构，划分网格时先划分对称的一半，镜像后得到整体模型，在前后回转平台法兰连接处、法兰本身结构等位置采用了较少的三角形单元进行过度。其立柱和回转平台的网格模型如图1所示。