基于ANSYS/FE-SAFE 的强夯机臂架疲劳寿命分析

杨庆乐¹ 屈福政¹ 王锡良²

1 大连理工大学大连116023 2 中化岩土工程股份有限公司北京102600

1 引言

强夯法以其经济、环保等优点广泛应用于地基处理。强夯机作为强化施工的专用设备，其工作条件十分恶劣，与一般的起重设备有很大不同。工作中频繁起升夯锤和突然脱锤，以及夯锤落地瞬间产生的地震波对强夯机结构有很大的周期性冲击作用。因此，其臂架作为重要的承载结构，在设计中应以其疲劳寿命为依据。但目前还没有相关的理论和试验研究可以借鉴，这使强夯机的结构寿命无法保证。为此，本文提出1种通过仿真分析确定结构疲劳寿命的方法，为结构的设计、制造提供参考。

本文以抚顺某强夯施工现场采集到夯锤落地时的地震波，利用Matlab进行数据处理，得到地震波的位移—时间曲线，并根据强夯机实际，编制起升和突然卸载工况的强夯机载荷谱。通过Pro/E建立强夯机三维模型，在ANSYS中进行应力分析，最后通过疲劳分析软件FE-SAFE对强夯机臂架系统进行疲劳寿命分析，确定结构的疲劳寿命。通过对比计算的疲劳寿命和实际臂架出现裂纹的时间，验证该算法的准确性，最终提出强夯机结构的改善方案。

2 建立模型

以某型强夯机为例进行介绍，其参数见表1。

为了考察各杆件相贯处的应力集中对结构疲劳寿命的影响，臂架建模采用曲面建模。利用Pro/E建立强夯机三维模型，然后将模型导入ANSYS，在ANSYS中将得到的臂架曲面定义成壳单元，利用FE-SAFE对臂架进行疲劳寿命分析。因本文不分析后车架，所以在ANSYS中将后车架定义为1个质量点，赋予其真实的质量，再同履带架相应的位置进行刚性连接。ANSYS中得到的强夯机三维模型(见图1)。

3 编制载荷谱及选择算法

3.1 编制载荷谱

在施工现场采集到夯锤落地时传递到履带架前端履带板附近的地震波，其横坐标为时间，纵坐标为加速度。利用matlab对试验数据进行处理，得到时间—位移曲线，见图2。根据强夯机实际工况编制起升和卸载夯锤时强夯机载荷谱，见图3。

3.2 选择算法

FE-SAFE中提供多种疲劳分析算法，本文采用多项载荷算法，见图4。FE-SAFE对于1个三维载荷给出6个应力张量，与时间历程相乘得到应力张量的时间历程，然后与第1个载荷的时间历程迭加。对每个载荷重复此过程，即可得到所有载荷合应力张量的时间历程。对于1个应力数据集，节点上的每个弹性应力可表示为S=(SFE)P(P/PFE)+(SFE)Q(Q/QFE)

式中S———6 个应力张量分量Sij中1个分量的瞬态值

PFE———用于FE 数据集的载荷

(SFE)P———对应于节点上载荷PFE的弹性应力

P———载荷P( t) 的时间历程中的瞬态值

QFE———用于第2 个数据集的载荷

(SFE)Q———对应于节点上载荷QFE的弹性应力

Q———载荷Q( t) 的时间历程中的瞬态值

采用多轴Neuber 准则来计算循环屈服引起的弹塑性应力应变。对于应力历程中的每一事件，利用材料记忆算法重新计算多轴条件下的循环应力—应变曲线。

对多载荷方向，在加载过程中节点上的主应力将改变方向，故需进行临界平面的疲劳计算。在每个面上，剪切应力或正应变都采用雨流计数法，计算每个循环的疲劳损伤。用Miner准则来计算节点的疲劳寿命。任何一个面上的最短疲劳寿命作为节点的疲劳寿命。

4 分析结果

利用FE-SAFE 软件进行疲劳分析后，生成的. RST 文件通过ANSYS 读取，得到的对数疲劳寿命云图如图5。臂架头部对数疲劳寿命局部放大云图见图6。

通常，疲劳破坏先在某一点产生微小的裂纹，其起点叫疲劳源，而裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的2个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成1个平滑区域。在交变载荷持续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂。

根据施工现场设备检测，当发动机工作4937h时，臂架头部出现裂纹，按照1次强夯需要3min计算，即实际总循环次数为98740。而理论计算的循环次数为10^5.002 =100461。通过以上分析得出如下结论:

(1)理论计算疲劳寿命与强夯机实际出现裂纹时间基本相符，说明该分析方法是可行的；(2)由于所加的地震载荷谱是按每个夯点最后一次夯击的地震载荷谱(通常是最大的)施加，所以理论分析结果偏于保守；(3)由于该强夯机大部分时间在沿海潮湿地区施工，锈蚀对设备的寿命也产生一定的影响，本分析方法未考虑；(4)通过对数疲劳寿命云图可以看出，臂架头部各连接杆相贯处首先产生疲劳破坏，因此可以采用图7所示臂架头部结构，以提高其疲劳寿命；(5)地震波对强夯机的疲劳寿命也有一定的影响，因此可在臂架与前车架连接处加上缓冲液压缸，以减小地震波对臂架的冲击作用。

5 结束语

利用ANSYS/FE-SAFE软件对强夯机臂架进行疲劳寿命分析，能够清楚地显示出臂架各部位的疲劳寿命以及判断出容易发生疲劳破坏的位置，为强夯安全施工和强夯机臂架结构设计、制造都提供了重要参考。

关注中国强夯网官方微信公众号DC-WORLD，参与更多互动