射流式拔桩器动态特性分析.pdf

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1、第32卷第11期人民黄河VoI．32．No．112010年11月YELL0WRIVERNov．．20l0【水利水电工程】射流式拔桩器动态特性分析吴林峰，耿明全，忤海英。(1．华北水利水电学院机械学院，河南郑州450011；2．南京理工大学力学与工程科学系，江苏南京210094；3．河南黄河河务局，河南郑州450003)摘要：射流式拔桩器工作时受射流和地层冲击荷载的作用及起吊机械上下往复的作用，工作时容易出现水管扭转和拔桩器振动现象，水管扭转严重时影响射流造孔工作。采用有限元软件ANSYS分别对单独拔桩用拔桩器和沉拔桩用拔桩器进行

2、建模，并进行了前5阶动态特性分析，结果表明：两种结构拔桩器的固有频率都远离激励频率，不会产生共振，水管扭转变形主要由拔桩器箱体结构、喷嘴射流不平衡和地层地质不均匀引起的。关键词：射流式拔桩器；结构设计；动态分析中图分类号：TV53文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000-1379．2010．11．O64射流式拔桩器由供水系统、起吊机械、悬挂结构等组成，由竖水管于拔桩器部件可匹配相应型号的供水系统、起吊机械使用，因此拔桩器部件和其他部件是相互独立的。拔桩器质量比较大，结构复杂，且工作时受射流和地层的共同影响，容

3、易产生扭转外箱体和振动，情况恶劣时水管扭转超过180。，严重影响射流造孔沉横水管拔桩作业。喷嘴拔桩器又是多自由度振动系统，当激励频率与拔桩器的某(a)单独拔桩用拔桩器沉拔桩用拔桩器阶固有频率相近时，系统会产生共振，影响拔桩器射流造孔的效率和设备使用寿命。因此，在拔桩器设计时必须重视拔桩器图1拔桩器几何模型结构固有频率、相应主振型及其特性，以及拔桩器造孔影响规有限元模型。这里采用ANSYS软件中的壳单元SHELL63，律及其危险部位。由于结构不规则，因此划分网格时采用自由划分方法，设置单根据拔桩器的应用范围和要求、工作特点和原理，

4、确定应元的长度为0．O4O单位，在应力可能出现的部位(如喷嘴和引用ANSYS软件分别对拔桩器和沉拔桩器进行建模，分析计算管联结处)进行了细化，设置单元的长度为0。020单位，壳单元不同拔桩器结构的固有频率、相应主振型及其特性，寻找拔桩为35911个，节点为60131个，拔桩器总重为21．96OkN。器工作危险部位和造孔影响规律。该拔桩器选用Q235和16Mn钢材，弹性模量为210GPa，泊松比为0．28，密度为7800kg／m。1模型建立拔桩器工作时，钢丝绳作用在吊环上，竖水管受水泵出口水管的限制，因此在吊环上和竖水管端部约束全

5、部自由度。拔桩器部件是由板材(经过弯曲变形)和管材刚性联结(通过螺栓和焊接)的空间结构，主要由内外箱体、横竖水管、喷2动态分析嘴和吊环组成。建模时在保证质量不变的情况下进行了合理的简化(如忽略了不影响结构强度的d,~fL和过渡圆角)；拔桩器2．1固有频率与振型的计算结构是关于缺口中心平面对称的，因此先建立拔桩器模型的一拔桩器无阻尼自由振动的运动方程为半，然后再通过镜像建立另一半；螺栓联结部分，联结螺栓和被晒+=0(1)联结件材料相同时，作为一体来处理。箱体外部最大直径为式中：为整体质量矩阵；为整体刚度矩阵；为节点位移；932mm

6、，箱体内部最小直径为600mm，板厚20mm，横竖水管为节点加速度。直径为154mm，壁厚4．5mm，选择过渡形喷嘴，通过螺纹联结固定在喷嘴引管上。用ANSYS软件按实际尺寸建立拔桩器结收稿日期：2OLO一02-20构模型，见图l。基金项目：水利部公益性行业科研专项(200701047)。由于拔桩器结构采用板材和型材刚性联结而成，其材料厚作者简介：吴林峰(197O一)，女，河南信阳人，副教授，博士研究生，主要从事结度与长度、宽度的尺寸相比要小得多，因此采用其中性面建立构设计和结构仿真科研工作。E—mail：wulinfeng@n

7、cwu．edu．cn。·l45·人民黄河2010年第11期任何弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠的，z个白振频率、∞、⋯、∞(按由小到大的顺序排列)，对于加，设简谐运动方程为每个自振频率，由式(4)可确定一组节点振幅值咖；=[咖，6=cos(mt)(2)⋯，咖]，它们互相之间应保持固定的比值，也就是工程上通常式中：为节点振幅；∞为角频率。所称的结构振型。’将式(2)代人式(1)，可得2．2计算结果与分析l+∞Ml西=0(3)计算时，将ANSYS分析类型选定为模态分析，采用Re—在自由振动时，结构中各点的振幅不全为0，因

8、此duced模态提取法，该方法计算速度快，也有一定的精度，定义I+MI=0(4)主自由度为1000。求解前5阶固有频率及其相应的最大振型单元刚度矩阵由单元材料和几何性质决定，单元质量矩阵就能满足要求⋯。通过ANSYS软件处理得到单独拔桩用拔桩由单元材料的密度决定