强夯机臂架应力测试与结构优化

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Stress test and structure optimization of dynamic compactor boomTONG Shui-guang，CAI Qin，YUAN Ming-hong，ZHANG Jian(Colege of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)Abstract：Focused on solving problems of insufficient strength，stress concentration and materialsconsumption under complicated working conditions，based on the principle and method of FEM ，and the NX platform，the FEA model of the dynamic compaction machinery was established.Af-ter determining the workloads and constraints，the stress and displacement contours under multi-pie harsh load cases were obtained.Furthermore，structure of its boom was optimized by takingOptistruct as the solver.The experiment result indicates that the difference between the test dataon the 1 5 test points obtained from the strain transducers and the data obtained from FEA is lessthan 1 5%；besides，the optimized structure fulfills the security requirements and its load distri-bution iS more reasonable，with a 6.42 and 12.48 reduction in maximum displace and stressrespectively as well as a 2.38% reduction in material consumption。

Key words：boom；FEM ；stress test；multiple Ioad cases；structure optimization在深层地基处理技 术中，强夯法具备高效率 和高经济性等诸多优势[1].随着国家对基川设步伐加快与投入增大，高能级 、具有工艺多样性与复合技术的专用强夯机的需求量 日益增多.由于强夯机满载率极高，突然卸载工况等特殊工况频繁 ]，强夯机臂架的结构强度是影响整机性能的关键因素.由于臂架载荷工况复杂，国内采用的传统经验设计存在工况适应性差、耗材多、成本高等问题.因此对传统强夯机臂架进行优化设计极具工程意义。

本文以某型号强夯机臂架为研究对象 ，有限元分析采用 UG NX7.5结合 NASTRAN，建立强夯机的三维模型，在确定约束和载荷后，采用 Optistruct解算器进行变形 和应力分析L3]，通过电测法对臂架结构应力进行现场测试，并对比分析结果.最后对其进行多工况下的优化设计，并对优化效果进行 了验证 。

作者简介：童水光(196O-)，男，浙江衢州人，博士，教授，博士生导师，从事化工过程机械与设备、振动主动控制等研究，Email：cetongsg###zj u.edu.cn。

第 2期 童水光，等 ：强夯机臂架应力测试与结构优化如图 8所示.脱钩瞬间，地面倾斜角度改变对中臂架底部 11点影响最大，如图 9所示.通过分析不同角度下对臂架应力的影响，指导工程实践。

十 地面角度oo时的应力值 地面角度3。时的应力值 A 地面角度 -3。时的应力值. I lL I、 Il 、 l !f l测量点图 9 脱钩 瞬间各 测点的应力值Fig.9 The stress values in hooking conditions3 臂架结构优化3.1 结构优化流程本文采用 Optistruct为优化解算器，其结构优化流程如图 1O。

图 10 Optistruct结构优 化设计流程Fig.10 Optistruct structure optimization flow3.2 结构优化模型由有限元分析结果显示，臂架结构最主要的受力部件为各臂架主杆和腹杆以及其连接处，其他部件处应力分布相对均匀，因此确定各臂架的主杆和腹杆厚度为设计变量.考虑臂架结构的重量为目标函数，其应力值和位移值为约束函数[1。

在满足应力和位移约束条件下的最轻量优化问题 的数学模型[ 为 ：目标函数：F(x)-∑W (x)-lD∑A (x)·l ， (1)- l i 1式中，W (X)为第 i臂架杆的可变质量，p为材料的密度，l 为第i臂架杆的长度，A (X)为第 i臂架杆的轴向截面面积， 为臂架杆数。

设计变量：X (z1，z2， ，z ) ， (2)式中， 为第竹臂架杆的厚度值，，z-8.本文中，z ，z 代表下臂架 的主杆和腹杆 的厚度 ， 。，X 代表 中臂架的主杆和腹杆的厚度，z ，z 代表伸长臂架的主杆和腹杆 的厚度 ，z ，z 代表上臂架 的主杆和腹杆的厚度。

约束条件 ：≤ [ ]， ]z i ≤ ≤ ， (3)Ef3 - ≥ 0，J式中， 为第i杆 的许用应力 ，z ，z 分别为杆件面积的下界和上界，If] 为臂架在工况下允许的位移， 为臂架在工况下的最大位移.工况 1时- 1，工况 3时 m - 2。

3.3 优化结果通过 6次迭代得到优化结果，表 2中显示优化得到变量值 的改变。

表 2 优化前后 的变量值Table 2 Optimized variable values厚度/ram I z2 3 4 z5 ，276 7 z8优 化前 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 4.0优 化后 14.6 6 9.6 3 9 3 8.8 3由优化结果可以得出，臂架结构的应力分布情况有所改善.优化后臂架应力最大值有所减小 ，且充分利用伸长臂架和中臂架来承受力载荷.各臂架的应力值更加接近，强度得以充分发挥.由优化结果得知，起重和脱钩瞬间强夯机臂架最大位移由281.65mm 和 150.03 mm，改变为优化后 的 263.55 mm和129.66 mm.臂架刚度也有所改善.分析结果如表3、表 4所示。

表 4 优化前后 结果分析Table 4 Optimized results analysis∞ ∞ ∞ 如 如 加 0Bd 迥工 程 设 计 学 报 第 2O卷4 总 结通过以强夯机臂架为研究对象，在 UG NX7.5环 境 下 建 立 了 强 夯 机 的 三 维 有 限 元 模 型 ，以NASTRAN为解算器对多种工况下 的结构强度、刚度进行了分析.结果显示，臂架符合工作安全性要求并且具有强度冗余.结合有限元分析和应力测试结果，通过应力和位移云图得出各应力危险区和刚度薄弱部位.在满足应力和位移的条件下，建立多种地面角度下起重和脱钩瞬间的结构优化数学模型.优化后的结构模型显示 ，应力和位移分布更加均匀 ，重量减轻 ，结构更加合理。