基于正交试验及有限元法的锚具结构优化设计研究.pdf

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1、基于正交试验及有限元法的锚具结构优化设计研究六口陈从升口张正彬安徽建筑工业学院机电工程系合肥230601摘要：采用正交试验法对单孔夹片式锚具进行弹塑性有限元分析，通过25组试验获得了锚圈半锥角、夹片与锚圆之间的摩擦因数厂和接触高度h对锚圈轴向变形量的影响，以锚圈轴向变形量最小为目标，寻得了本模型的最佳结构设计参数：=9。、，=0．02、h=40mm。关键词：正交试验有限元夹片式锚具锚圈中图分类号：U664．4+2文献标识码：A文章编号：t000—4998(2008)10—0023—03Abstract：Theorthogonale

2、xperimentandelastic—plasticfiniteelementmethodareusedtOanalyzethemono—strandanchor-age．Through25groupsofexperiments，theinfluenceofthehalfconeangleoftheanchorhead，thecoeficientoffrictionfandthecontactheighthbetweentheclippiecesandanchorheadontheaxialdeformationoftheanc

3、horheadisobtained．Aimingattheminimumoftheaxialdeformationoftheanchorhead，theoptimumdesignparametersofthemodelareacquired，thatis：OL=90，，：O．02andh=40mIn．KeyWords：OrthogonalExperimentFiniteElementMethodAnchorageAnchorHead锚具是预应力锚固体系中重要组成部分，其中夹如下：锚圈是夹片式锚具的一个重要构件，锚圈的轴向片式锚具最

4、常见，结构如图1所示，它由锚垫板、锚圈、变形量过大会造成整个锚具失效。在一定的载荷状态夹片和钢绞线组成。锚具结构安全性设计一直是研究下，锚圈的轴向变形量越小越好，因此，选定锚圈轴向的热点“一1，文献[1】研究了不同的摩擦因数对锚具的变形量s最小为设计目标来优化锚具结构参数。综合应力、应变和塑性面积的影响，文献【2】对夹片角度进相关文献并结合理论知识和经验，拟选锚圈半锥角、行了优化，文献[3】对单孔锚具锚合角度和锚合接触高夹片与锚圈的摩擦因数夹片与锚圈的接触高度h度对应力应变的影响情况进行了研究，文献[4]对夹片这3个关键结构参数为

5、设计变量(图1)。设计变量和设式锚具锥角进行了有限元参数化设计。很多研究人员计目标的关系可以用下面的数学模型来表示：minf(X)从不同角度对锚具进行结构设计，但试验次数往往居=S，其中X=[fh】。具体各变量的取值范围如表1高不下。正交试验是一种优化设计方法，它以较少的试所示，根据表1中设计变量的取值范围，各取每个变量验次数就能得到理想的试验结果，并可以获得最优方的5个水平(表2)，这样就构成了一个3因素5水平的正案。本文拟采用正交试验法结合弹塑性有限元分析对交表(表3)，标记为L2s(5)。夹片式单孔锚具进行2有限元建模结构设

6、计研究。与物理试验相比，运用有限元软件进行数值模拟1正交试验设计表1设计变量(因素)及取值范围在进行正交试验设计时，首先必须明确设计变量取值范围试验目的和设计目标，锚圈半锥角c~／(o)5～9夹片与锚圈的摩擦因数，O．O1～0．O5然后根据专业知识和夹片与锚圈的接触高度h／mm20～40经验确定设计变量(因素)及其水平数，最后表2因素及水平表进行正交试验表设计，因素水平安排正交试验【5]。本文l2345中锚具正交试验设计／(。)56789★安徽省高等学校青年教师科研基金资助项目(编号：2008jq1084)l0．O10．02O．O

7、30．040．O5h／mm2025303540收稿日期：2008年5月机械制造46卷第530期2oo8／10表3正交试验表钢绞线划分网格，网格划分后的模型如图2所示，各自试验序号／(。)l^／mm的单元数如下：锚圈和夹片都为1000个，钢绞线为975个。l1(5)1(0．01)1(20)21(5)2(0．02)2(25)对于材料的选取和相关参数如表4所示⋯，锚圈、31(5)3(0．03)3(3O)夹片、钢绞线都为各向同性材料，屈服特性符合von41(5)4(0．04)4(35)Mises准则，泊松比都为0．3。51(5)5(0．0

8、5)5(40)表4材料及材料参数62(6)1(0．O1)2(25)名称材料弹性模量屈服应力强度极限伸长率72(6)2(0．02)3(30)／GPa／MPa／MPa／％82(6)3(0．03)4(35)锚圈40Cr220785980992(6)4(0