基于ANSYS Workbench的压桩机导向架优化设计

邱旭民

（河源技师学院，广东河源 517000）

0 引言

随着我国建筑业的大力发展，建筑机械得到非常好的发展，用于建筑结构施工的大型机械装备得到了广泛的应用。压桩机的主要作用是将建筑物地底下的预制桩压入地里面，提高建筑物地基的强度[1]。

为了进一步提高压桩机的工作效率和节约制造成本。需要对它的导向架结构进行优化设计。它的优化设计主要包括形状优化、尺寸优化以及目前应用非常广泛的连续体结构的优化设计，这些优化方法都是通过将力学、拓扑学和计算机技术相结合所得到的。本文将通过对导向架结构进行深入研究，以及对它的工作过程进行分析，使用AN⁃SYS Workbench软件对它进行静力学分析[2]、模态分析和优化设计[3]。

1 压桩机导向架的模态分析和静力学分析

1.1 压桩机导向架的有限元模型的建立

压桩机导向架的各部分板料是通过板料焊接连接的，在局部地方有一些螺纹孔、走线孔、油孔等，其结构形状比较复杂。由于这些结构对压桩机导向架的整体就强度和刚度的影响非常小，因此，在进行压桩机导向架有限元分析过程中忽略结构中的焊缝、圆角、孔等特征。简化后的压桩机导向架三维结构模型如图1所示。

图1 压桩机导向架模型

1.2 单元选取与网格划分

通常压桩机都是在一些工作环境比较恶劣的环境下工作，因此，压桩机导向架的材料都是使用45#钢[4]。它的弹性模量为E=2.1×105MPa， 泊 松 比 为 μ=0.3， 密 度 为ρ=7.85×103kg/m3。通过观察可以得知它的总体尺寸为1 502 mm×1 037 mm×2 430 mm ，总质量为2 472.75 kg。采用ANSYS Workbench的智能划分方法，划分后节点总数为53 626，单元总数为23 159。

1.3 约束与加载

压桩机导向架通过螺栓连接固定在机身本体上，然后滑动轴套固定在导向架上，滑动轴在液压缸的带动下载滑动轴套中上下滑动。对压桩机导向架的加载约束可以简化成导向架的前、后导向板通过滑动孔固定在机身本体上，盖板承受液压缸的驱动部分竖直向上的载荷。压桩机导向架的受力情况可简化为图2所示，其中载荷Fx=500 N，FZ=5 000 N。

图2 导向架的载荷与约束

1.4 静力学分析

根据压桩机的工作环境，对它的结构模型进行适当的简化，得到它的三维结构模型[5]，并导入ANSYS Work⁃bench软件中。对压桩机导向架进行单元类型选择、网格划分等得到如图3所示的有限元模型。

通过将压桩机导向架的滑动孔固定，并向它的顶板施加合理的载荷，得到它的总变形云图和等效应力云图如图4所示。由压桩机导向架的总变形云图可知，它的最大变形量发生在盖板上，大小为0.58 mm，远远小于压桩机导向架的许用变形值。同时由压桩机导向架的等效应力云图可知，它的最大应力发生在盖板的滑动孔上，应力大小为72.79 MPa，远小于45钢的屈服极限355 MPa，则表明它在工作过程中满足刚度强度要求。

1.5 模态分析

图3 压桩机导向架有限元模型

图4 压桩机导向架的总变形、等效应力云图

根据压桩机导向架的静力学分析结果，可知它的设计满足要求。为了更好地提高压桩机导向架的工作性能，对压桩机导向架模态分析[6]。根据实际工作情况建立压桩机导向架的动力微分方程，得到它的动力学微分方程为：

其中：[M]为导向架的质量矩阵；

[K]为导向架的刚度矩阵；

{x}为导向架的位移向量。

根据压桩机导向架的工作特点，使用无阻尼自由振动方法可以很好地计算出它的固有频率，则可将微分改写成下式：

其中：{}θ0为压桩机导向架各节点的振幅向量；

ω为压桩机导向架的固有频率；

φ为相位角。

当压桩机导向架发生无外界激励的振动时，焊接机器人的频率方程为：

式（3）是压桩机导向架的无阻尼自由振动微分方程。本文通过使用ANSYS Workbench软件可以非常好地求解出它的模态固有频率。图5是求解的压桩机导向架前20阶次的自由模态固有频率直方图。

图5 压桩机导向架前20阶次模态固有频率直方图

由压桩机导向架模态分析，可以得到它的前20阶次模态固有频率表，如表1所示。

表1 压桩机导向架前20阶次模态固有频率表

由压桩机导向架的固有频率直方图可知，它的弯曲变形和扭转变形都大于80 Hz。由于压桩机导向架的工作频率一般在80 Hz以下，因此不会引起共振，满足压桩机导向架的动态性能。如图6是第5和15阶的压桩机导向架模态振型图。

图6 压桩机导向架的第5、15阶模态振型图

2 压桩机导向架的优化设计和分析

根据压桩机导向架的结构特点，它不仅可以进行形状尺寸优化，还可以进行拓扑优化。压桩机导向架的优化设计是采用尺寸优化和拓扑优化相结合的方法，通常分两步进行：首先，对压桩机导向架结构进行拓扑优化设计，在保证导向架刚度的前提下，减少导向架的材料量，以达到优化它的结构的目的；然后，在导向架的刚度和强度满足要求的前提条件下，以它的质量为优化目标进行结构尺寸优化设计，得到质量最轻的导向架。

2.1 导向架的拓扑优化设计

利用ANSYS Workbench软件中的Shape Optimization模块对压桩机导向架的结构进行设计，通过对它的结构进行网格划分、加载和求解，优化后的质量减少30%，可以得到如图7所示的拓扑优化结构。

根据上述拓扑优化的结果进行材料的去除。为了加工的方便，在导向架设计过程中需要对其尺寸进行优化。按照拓扑优化结果图将它的阴影部分进行去除。对去除后的导向架结构进行刚度强度分析，得到它的最大等效应力为85.62 MPa，它的最大变形量为0.63 mm。通过对导向架的结构进行拓扑优化，优化后的结果表明它的刚度和强度仍然比较好，抵抗变形的能力较强。为了得到性能更优的压桩机导向架结构，需要对它的结构进行尺寸优化设计[7-8]。

2.2 导向架的尺寸优化设计

根据拓扑优化后压桩机导向架的刚度强度分析结果可知，它的结构还可以进行更进一步的优化。为了进一步提高它的工作性能，对它的结构尺寸参数进行优化设计。首先需要根据导向架的结构特点，建立它的数学模型，主要是确定导向架在优化设计过程中的设计变量、状态变量和目标函数。通过研究分析可以得到导向架优化设计的数学模型为：

其中：X1表示导向架盖板的厚度；

X2表示导向架前导向板的厚度；

X3表示导向架后导向板的厚度；

X4表示导向架侧导向板的厚度；

X5表示导向架筋板的厚度；

Smax表示导向架的应力大小；

[σz]表示导向架材料的许用应力大小；

M表示导向架的质量大小。

上述进行了导向架的优化设计模型，为了准确地计算出它的最优设计参数，将使用ANSYS Workbench软件进行求解。经过多次的迭代计算，可以求解出导向架在优化过程中设计变量、状态变量和目标函数的变化曲线，分别如图8、9和10所示。

通过观察图8、9和10各个量的变化，可知经过11次迭代后各个变量开始趋于稳定，则导向架取得了最优解。通过分析优化设计后的导向架得知，它的重量从365.3 kg减少到312.5 kg，降低了14.5%。在导向架优化设计过程中，它的最大等效应力从72.79 MPa升高到88.62 MPa，仍然小于355 MPa，因此，满足设计要求。优化设计后的导向架盖板的厚度从25 mm降低到18.7 mm，前导向板的厚度从25 mm降低到17.9 mm，后导向板的厚度从25 mm降低到19.2 mm，侧导向板的厚度从25 mm降低到12.5 mm，筋板的厚度从25 mm降低到16.7 mm。优化后的导向架结构不仅满足刚度强度要求，而且更加节省材料。

图7 拓扑优化结果图

图10 导向架目标函数的变化

图9 导向架状态变量的变化

图8 导向架设计变量的变化

3 结论

通过对压桩机导向架的设计和优化得到以下结论：

（1）根据压桩机导向架的工作要求，设计出它的结构模型，它的结构主要是采用钢板焊接而成的；

（2）根据压桩机导向架的结构模型进行静力学分析、拓扑优化和结构参数优化，得到结构最优的设计参数。