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螺桿樁機鉆桿接頭強度CAE分析

發布于:2023-12-28 21:24
CAE分析

      螺桿(紋、絲)樁的施工是近幾年樁基礎領域中初步發展起來的一種施工工法,而樁機的鉆桿內、外六方接頭在工作中承受較大的扭矩和豎向力,在鉆進的過程中,地質條件不同,受力狀況尤為惡劣,常出現早期強度不足和疲勞斷裂等不同原因的失效。實際施工中出現斷裂后處理不及時,會出現埋鉆等嚴重事故,造成極大地浪費。
      鉆桿結構如圖所示,接頭1為外六方接頭,接頭2為內六方接頭,內、外六方接頭所選用的材料是45鋼。技術要求:鍛打、調質處理HB225-257,外六方表面高頻淬火HRC45-48。其主要參數性能為:彈性模量E=205GPa,泊松比u=0.29,屈服強度355Mpa。由于鉆桿接頭在使用過程中,地質不同、鉆孔深度不同、鉆頭形狀不同,會出現不同的使用工況,鉆桿接頭的受力也大不相同。工況1:螺桿樁機使用的三環減速機為:ZZSH580-200,電機型號:Y250M-6-37kW,輸出的有效扭矩為136kN,生產的螺紋樁深度為15m。工況2:三環減速箱改用ZZSH670-92,使用的電機Y315M-8-75kW,輸出的有效扭矩184kN,生產的螺紋樁深度為30m。根據山東某工地的地質報告和施工工法,計算出最大拔樁力分別為:596.31kN和609.12kN。因為地質情況不同,要求最大應力小于許用屈服應力,安全系數大于1.1,靜態CAE分析階段關注的重點是零件所承受的最大應力和設計安全系數。
      在SolidWorks軟件狀態下,啟動SolidWorks Simulation程序,建立靜態研究算例,并設置結算器為FFEPIus,添加材質、約束,并進行網格化分,對圓角部分設置網格控制。本文中采用四面體網格,內六方接頭網格的大小為5.314mm,共計332455個單元;外六方接頭網格的大小為8.945mm,共計369926個單元,如圖所示。運行靜態分析模塊,獲得接頭的應力、設計安全系數。根據工況1的情況加載扭矩和豎向力,得到內六方接頭如圖的情況:接頭承受最大應力為262.1MPa,小于材料的屈服強度。
      SolidWorks Simulation軟件對于單個零件疲勞分析是基于名義應力法的,其分析過程首先根據載荷譜確定零件危險部位的應力譜:而后采用材料的S-N曲線,經過計算結構危險部位的應力集中系數,結合材料的疲勞極限圖,通過插值將材料的S-N曲線轉化為零件的S-N曲線;最后再由載荷譜確定的應力譜,根據Miner線性損傷累積規則計算零件的壽命。在SolidWorks環境中激活SolidWorks Simulation,建立疲勞算例后,將有限元分析的算例作為恒定振幅疲勞事件添加,負載類型基于零(LR=0),周期為1000。在有限元模型中應用/編輯疲勞數據,選擇從材料彈性模量派生,再選擇給予ASME碳鋼曲線,保存45鋼的疲勞SN曲線,即基于雙對數的疲勞曲線被載入,運行進行分析,得到接頭的生命總數(周期)和損壞百分比。對工況1運行疲勞算例,得到鉆桿內六方接頭的生命周期。對工況2運行疲勞算例,得到鉆桿外六方接頭的生命周期如圖所示。


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