（徐州盾安建筑工程机械制造有限公司，江苏 徐州 221000）
摘要 利用ANSYS有限元分析软件，建立两种拔管机下平台结构有限元分析模型，通过对比分析与结构优化，确定一种结构形式合理的下平台结构。与传统的类比法设计相比，本文首次引入有限元分析软件ANSYS对拔管机结构进行分析与优化设计，指导设计出结构更加合理的下平台结构。
关键词 ANSYS 拔管机 下平台结构 75°斜面结构
0 引言
国内自上世纪90年代开始引进全套管全回转钻机（以下简称“全回转钻机”）用于桥梁和铁路建设并随着2011年徐州盾安重工推出国内第一台全回转钻机DTR1505，全回转钻机成桩的施工工法正逐步为国内各个施工单位、设计院（设计单位）所接受，尤其在桥梁、地下车库、高铁、地铁方面更具有广泛和深入的应用。
随着全回转钻机的广泛应用，对全回转钻机桩基础施工的不断深入与施工细化，对桩基础施工提出更高的施工效率和更低的施工成本要求。而具有成桩质量高、对周边环境影响小等优点的全回转钻机施工成本高，因此施工成本低、效率高、起拔力大的拔管机应运而生，并逐步为市场所接受。
因拔管机结构形式接近全回转钻机[1]，所以前期拔管机的设计普遍采用类比法设计拔管机，具有结构重量重、结构形式不合理的特点。
本文基于有限元分析软件ANSYS，建立两种拔管机下平台结构的有限元模型[2]，并进行对比分析与结构优化，最终选择一种结构形式合理的下平台结构。
1 下平台结构形式的阐述
拔管机的主机结构部分主要由基座、下平台、导向柱、上平台和爬梯护栏组成，并含有楔形夹紧装置、起拔油缸和夹紧油缸。拔管机通过夹紧油缸驱动楔形夹紧装置抱紧或放开套管、起拔油缸起拔时驱动楔形夹紧装置[3]（处于抱紧套管状态下）可做起拔套管动作，从而实现对套管起拔功能。下平台结构（如图1所示）为箱型结构，内部含有楔形夹紧装置中周向均布的六块75°斜面结构，与起拔油缸和导向柱的连接均通过连接法兰、用螺栓固定，并用销轴与夹紧油缸连接。
2 下平台结构的分析与优化
2.1 下平台结构有限元模型的建立
某型号拔管机采用楔形夹紧装置夹紧套管、下平台结构设计有六块周向均匀分布的75°斜面结构。在ANSYS中，采用shell181、beam188、link180和mass21单元，建立如图2和图3所示的有限元模型，其中有限元模型1有两块75°斜面垂直于夹紧油缸销轴的轴心线；有限元模型2有两块75°斜面平行于夹紧油缸销轴的轴心线；且两模型中上下盖板、75°斜面面板以及与夹紧油缸和起拔油缸连接的板厚规格均相同，主要差异为75°斜面面板分布不同，并在建立的三维模型中重量相同，然后进行有限元求解分析。
2.2 下平台结构的有限元分析与优化
根据有限元模型1和模型2分析计算，得到如图4～图7所示的应力云图。通过观察图4～图7可知，有限元模型1的最大应力为373MPa、属于应力集中点的位置，整体应力在250MPa以内，其中上下盖板整体应力在170MPa以内（除开应力集中影响区）、且出现170MPa应力的位置较少；有限元模型2的最大应力为370MPa、属于应力集中点的位置，整体应力在250MPa以内，其中上下盖板整体应力在200MPa以内（除开应力集中影响区）、且出现200MPa应力的位置较多。
通过比较分析可知，有限元模型1比有限元模型2受力更好，有利于结构件受力；同时根据实际模型情况，有限元模型1也有利于拔管机楔形装置和变径装置的安装与拆卸。
3 结论
有限元模型1比有限元模型2受力更好，有利于结构件受力，即有两块75°斜面垂直于夹紧油缸销轴的轴心线的下平台结构受力状态更佳和有利于下平台结构降重。同时根据实际模型情况，有限元模型1也有利于拔管机楔形装置和变径装置的安装与拆卸。本文首次引入有限元分析软件ANSYS对拔管机结构进行分析与优化设计，指导设计出结构更加合理的下平台结构。
参考文献
[1]陈建海,刘可可,曹超.全套管全回转钻机[P].北京：
[2]张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010：253-264.
[3]陈小青,滕聪,张宁,斐磊.全套管全回转钻机用套管夹紧装置[P].北京：
论文作者:朱斌,胡甲磊,王磊,李志坚
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：结构论文; 有限元论文; 模型论文; 应力论文; 钻机论文; 斜面论文; 平台论文; 《工程管理前沿》2019年第14期论文;