卜 勻 張宏光

唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北唐山 063000

1 分析與優(yōu)化背景

近年來,我國大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)。在土方基礎(chǔ)夯實(shí)工程中,夯實(shí)作業(yè)有效提高了致密性發(fā)生變化的土體強(qiáng)度,降低沉降量,滿足工程要求。其中,路面機(jī)械夯實(shí)技術(shù)憑借效率高、壓實(shí)強(qiáng)度大、鋪層厚度深等特點(diǎn),得到了迅猛發(fā)展。許多知名的壓路機(jī)生產(chǎn)企業(yè),已經(jīng)開發(fā)出多種型號的沖擊式夯實(shí)機(jī),如YP25、YP30、YP32、XG62513C等,都被廣泛應(yīng)用于高速公路路基挖方、鐵路建設(shè)、機(jī)場跑道施工、水庫堤壩防滲處理等領(lǐng)域[1]。在理論研究中,蘭吉光[2]基于ANSYS有限元軟件研究瞬態(tài)沖擊力作用下夯實(shí)輪結(jié)構(gòu)變化情況,為夯實(shí)輪的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。史富増[3]在建立沖擊壓路機(jī)虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行模擬動(dòng)力學(xué)分析,對牽引減振原理進(jìn)行深入研究,降低牽引機(jī)疲勞對沖擊機(jī)的傷害。安全穩(wěn)定的機(jī)架是夯實(shí)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu),機(jī)架采用鋼板焊接而成,結(jié)構(gòu)尺寸大,為滿足強(qiáng)度要求,減小機(jī)架質(zhì)量是沖擊式夯實(shí)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。筆者對沖擊式夯實(shí)機(jī)機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[4-12]。

2 沖擊式夯實(shí)機(jī)工作過程

沖擊式夯實(shí)機(jī)由牽引車和夯實(shí)機(jī)裝置兩個(gè)部分組成。夯實(shí)機(jī)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,由機(jī)架、夯實(shí)輪、前后輪組、牽引機(jī)構(gòu)、減振機(jī)構(gòu)、牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。機(jī)架是夯實(shí)機(jī)裝置的骨架。夯實(shí)輪是夯實(shí)機(jī)裝置的核心部件,對工作效率起決定性作用。牽引機(jī)構(gòu)由連桿、作用擺臂、夯實(shí)輪軸等組成,牽引輪體運(yùn)動(dòng),對輪體的運(yùn)行有導(dǎo)向作用。減振機(jī)構(gòu)可以緩解沖擊力對車輪軸承的沖擊,穩(wěn)定車體。牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將夯實(shí)機(jī)裝置及牽引車連接在一起。施工作業(yè)時(shí),牽引車連接夯實(shí)機(jī)裝置,拖動(dòng)前后輪組,帶動(dòng)夯實(shí)輪轉(zhuǎn)動(dòng),利用夯實(shí)輪自身的質(zhì)量和前進(jìn)時(shí)的動(dòng)力對地面進(jìn)行沖擊。沖擊后夯實(shí)輪的平緩弧形面對地面實(shí)施連續(xù)均勻碾壓,使地基變得均勻致密。夯實(shí)輪一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期連續(xù)對地基進(jìn)行三次沖擊及碾壓。在沖擊式夯實(shí)機(jī)轉(zhuǎn)場和施工作業(yè)中,機(jī)架具有定位和支撐的關(guān)鍵作用,且均承受大載荷。機(jī)架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣對沖擊式夯實(shí)機(jī)工作的正常進(jìn)行至關(guān)重要,所以對機(jī)架的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

▲圖1 夯實(shí)機(jī)裝置結(jié)構(gòu)

沖擊式夯實(shí)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)中,沖擊能量為25 kJ,工作速度為6 km/h～10 km/h,沖擊頻率每分鐘為55～90次。夯實(shí)輪結(jié)構(gòu)形式為三邊弧形結(jié)構(gòu),質(zhì)心高度為780～980mm,牽引車功率不低于162 kW,夯實(shí)輪寬度為800 mm。

3 機(jī)架結(jié)構(gòu)分析

為滿足夯實(shí)輪的運(yùn)動(dòng),機(jī)架采用弧形設(shè)計(jì),鋼板采用焊接結(jié)構(gòu)。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架安裝在前后輪組上,用于提升夯實(shí)輪,同時(shí)對其它部件有定位作用。機(jī)架前端設(shè)置牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),經(jīng)牽引彈簧與牽引車連接。

▲圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)

3.1 靜載

應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模,導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件靜力學(xué)模塊進(jìn)行前處理。機(jī)架材料為Q235鋼,材料的彈性模量為2.08×1011Pa,泊松比為0.277,密度為7 850 kg/m3。使用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置網(wǎng)格尺寸為40 mm,由此得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為77 296,單元數(shù)為18 995。

轉(zhuǎn)場過程中夯實(shí)輪靜止,夯實(shí)輪主要受鋼絲繩吊裝方向的力,忽略連接擺臂方向的力,機(jī)架受夯實(shí)輪的重力作用。根據(jù)實(shí)際安裝與使用情況,約束機(jī)架底面Y方向位移。夯實(shí)輪質(zhì)量共約13 t,對頂部兩個(gè)連接孔各施加向下的65 000 N約束載荷。對機(jī)架進(jìn)行有限元分析,得到靜載時(shí)機(jī)架等效應(yīng)力云圖和變形云圖,分別如圖3、圖4所示。

▲圖3 靜載時(shí)機(jī)架等效應(yīng)力云圖

▲圖4 靜載時(shí)機(jī)架變形云圖

由等效應(yīng)力分析結(jié)果可得,機(jī)架在提升夯實(shí)輪時(shí),最大應(yīng)力約為31 MPa,應(yīng)力集中出現(xiàn)在頂部連接孔位置,等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于機(jī)架材料Q235鋼的許用應(yīng)力,安全因數(shù)約為7.6,具有極大的強(qiáng)度儲(chǔ)備,說明機(jī)架符合設(shè)計(jì)要求。由圖4可見,最大變形出現(xiàn)在機(jī)架頂部中間弧面上,約為0.26 mm。變形沿著兩側(cè)逐漸減小,且整個(gè)變形云圖具有一定的對稱性。

3.2 沖擊工況

做如下假設(shè):① 沖擊式夯實(shí)機(jī)作業(yè)過程中處于勻速運(yùn)動(dòng),牽引機(jī)速度變化對夯實(shí)輪運(yùn)動(dòng)的影響忽略不計(jì);② 夯實(shí)輪為剛體;③ 被壓實(shí)材料平滑,在壓實(shí)過程中對夯實(shí)輪不產(chǎn)生附加力的影響;④ 在運(yùn)動(dòng)過程中,夯實(shí)輪與被壓實(shí)材料只發(fā)生滾動(dòng)摩擦;⑤ 忽視運(yùn)動(dòng)過程中軸承摩擦的影響。

機(jī)架夯實(shí)土壤時(shí),機(jī)架受到夯實(shí)輪的沖擊力。夯實(shí)輪沖擊地面時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力,同時(shí)地面會(huì)通過夯實(shí)輪和連桿將力反彈至機(jī)架,對機(jī)架造成影響。為保證機(jī)架良好的工作狀態(tài),以夯實(shí)輪沖擊地面為工況,對機(jī)架進(jìn)行受力分析。機(jī)架簡化模型如圖5,受力簡圖如圖6所示。

▲圖5 機(jī)架簡化模型▲圖6 機(jī)架受力簡圖

圖6中,F為沖擊力,沖擊地面時(shí)會(huì)通過連桿以反作用力F1、F2反彈至機(jī)架。機(jī)架對稱分布,有四根連桿與機(jī)架相連接,因此F1與F2大小相同,夾角約為120。

結(jié)合沖量定理對沖擊力進(jìn)行求解:

(1)

式中:L為夯實(shí)輪與地面接觸兩點(diǎn)間的距離;Δt為作用時(shí)間;M為總轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w1、w2分別為沖擊前和沖擊后的角速度。

假設(shè)夯擊黏性松土作用時(shí)間為0.023 s,在牽引車速度為2.8 m/s時(shí),求得沖擊力為3.59×106N。

受力分析后,可以得出連桿傳遞至機(jī)架的力約為1.795×106N,即F1與F2均為1.795×106N。

夯實(shí)輪沖擊土壤,土壤又將反作用力傳遞至機(jī)架,將橫梁與機(jī)架的接觸面設(shè)置為印記面,在印記面上施加1.795×106N的沖擊力,約束機(jī)架底部后輪叉板Y方向自由度,約束機(jī)架X方向自由度,約束機(jī)架前后端Z向自由度。

運(yùn)行求解,得到?jīng)_擊工況下機(jī)架等效應(yīng)力云圖和變形云圖,分別如圖7、圖8所示。

▲圖7 沖擊工況下機(jī)架等效應(yīng)力云圖▲圖8 沖擊工況下機(jī)架變形云圖

由圖7可知,在夯實(shí)輪沖擊地面時(shí),機(jī)架最大應(yīng)力位于機(jī)架側(cè)板弧形斜面與矩形底面相交位置處,達(dá)到217.83 MPa。Q235鋼的許用應(yīng)力,機(jī)架的安全因數(shù)約為1.08。由于機(jī)架需要長期負(fù)荷使用,因此安全因數(shù)較小。若選用Q345鋼,則計(jì)算得安全因數(shù)為1.6,能夠長期使用。由圖8可知最大變形約為0.65 mm,位于機(jī)架右側(cè)頂部中間弧面上。

4 拓?fù)鋬?yōu)化

在ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置,對機(jī)架的材料參數(shù)、載荷、約束保留,根據(jù)機(jī)架實(shí)際使用情況及零件裝配情況,在軟件中設(shè)置機(jī)架需要保留的區(qū)域及需要去除的優(yōu)化區(qū)域,將保留原材料50%質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo),對需要的部分保留,得到靜載時(shí)和沖擊工況下機(jī)架優(yōu)化設(shè)置,分別如圖9、圖10所示。圖中淺色區(qū)域?yàn)楸Ａ舨糠?深色區(qū)域?yàn)閮?yōu)化部分。

▲圖9 靜載時(shí)機(jī)架優(yōu)化設(shè)置▲圖10 沖擊工況下機(jī)架優(yōu)化設(shè)置

靜載時(shí)和沖擊下工況機(jī)架優(yōu)化結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

▲圖11 靜載時(shí)機(jī)架優(yōu)化結(jié)果▲圖12 沖擊工況下機(jī)架優(yōu)化結(jié)果

通過優(yōu)化,達(dá)到滿足強(qiáng)度要求同時(shí)又減輕質(zhì)量的目的,節(jié)省材料,降低成本。

拓?fù)鋬?yōu)化后將結(jié)果導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行驗(yàn)證。機(jī)架優(yōu)化后模型如圖13所示,此時(shí)機(jī)架質(zhì)量為2 998.7 kg,優(yōu)化前機(jī)架質(zhì)量為3 942.1 kg,通過對比可得優(yōu)化后機(jī)架質(zhì)量減小約24%。

▲圖13 優(yōu)化后機(jī)架模型

優(yōu)化后機(jī)架質(zhì)量減小,達(dá)到優(yōu)化效果。為確認(rèn)機(jī)架強(qiáng)度是否能夠滿足工作要求,需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行后處理仿真,以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性。

優(yōu)化后靜載時(shí)機(jī)架等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖14、圖15所示。由圖14、圖15可知,優(yōu)化后最大應(yīng)力位置由原來的吊孔處向頂部橢圓孔處轉(zhuǎn)移,并且由31.11 MPa增大至39.42 MPa。最大變形量由原來的0.26 mm增大至0.39 mm,因選用Q345鋼,故安全因數(shù)約為8.8。

▲圖14 優(yōu)化后靜載時(shí)機(jī)架等效應(yīng)力云圖▲圖15 優(yōu)化后靜載時(shí)機(jī)架變形云圖

優(yōu)化后沖擊工況下機(jī)架等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖16、圖17所示。由圖16、圖17可知,優(yōu)化后最大應(yīng)力位置并沒有發(fā)生改變,值由217.83 MPa增大至259.89 MPa,增大約19%。最大變形量由原來的0.65 mm增大至0.85 mm,因選用Q345鋼,故安全因數(shù)約為1.44。此時(shí)模型整體質(zhì)量與原質(zhì)量相比,減小約24%。綜合考慮優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力、最大變形及質(zhì)量的變化,優(yōu)化后機(jī)架既達(dá)到了強(qiáng)度要求,又減小了整體的質(zhì)量。

▲圖16 優(yōu)化后沖擊工況下機(jī)架等效應(yīng)力云圖▲圖17 優(yōu)化后沖擊工況下機(jī)架變形云圖

5 結(jié)束語

應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對沖擊式夯實(shí)機(jī)機(jī)架在靜載時(shí)和沖擊工況下進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。沖擊工況下,材料為Q235鋼時(shí),機(jī)架安全因數(shù)較小。更換材料Q345鋼后,安全因數(shù)增大。進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理,使機(jī)架受力均勻,合理去材。進(jìn)行優(yōu)化后機(jī)架應(yīng)力、應(yīng)變分析,沖擊工況下Q345鋼的安全因數(shù)達(dá)到約1.44,機(jī)架強(qiáng)度滿足要求,質(zhì)量減小約24%。