錨桿鉆機(jī)錨桿倉(cāng)的優(yōu)化分析

1. 錨桿鉆機(jī)錨桿倉(cāng)的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化條件

　　 錨桿鉆機(jī)錨桿倉(cāng)是智能型錨桿鉆機(jī)關(guān)鍵部件。由于其在施工作業(yè)時(shí)常常處于懸臂狀態(tài)，對(duì)于錨桿鉆機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定以及作業(yè)時(shí)快速更換鉆桿，提高工效，降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。對(duì)于錨桿鉆機(jī)錨桿倉(cāng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以采用SolidWorks Optimization進(jìn)行。優(yōu)化的過(guò)程有三個(gè)主要組件：目標(biāo)、約束、變量。最簡(jiǎn)單的情況下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)應(yīng)該通過(guò)改變變量求得目標(biāo)的最大值或最小值，同時(shí)確保關(guān)鍵性響應(yīng)不超出所定義的約束條件[1]。

　　 在約束研究中，如果希望從幾個(gè)可能的設(shè)計(jì)配置中找到最佳配置，則他需要更改設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)就是設(shè)計(jì)變量。它們可以是尺寸、陣列中的實(shí)例數(shù)量、材料屬性。載荷或彈簧剛度或者擁有可檢測(cè)的最佳值或需要加以考慮的設(shè)計(jì)的任何其他方面。變量可以是連續(xù)的，也就是說(shuō)，變量能夠在指定的最大值和最小值之間選擇任意值。絕大多數(shù)尺寸變量都屬于連續(xù)變量。分析以錨桿倉(cāng)的幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量的連續(xù)變量如表2。

　　受“有限元分析”驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化乃是工程方面一個(gè)不斷上升的研究領(lǐng)域。盡管程序和技術(shù)都可以用來(lái)執(zhí)行這一過(guò)程，但替換法研究、靈敏度研究以及形狀優(yōu)化仍是目前最常用的方法。形狀優(yōu)化的兩種最常用方法是梯度搜索和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。后者是以響應(yīng)面計(jì)算為基礎(chǔ)，能夠獲得健壯的解決方案。也就是說(shuō)，能夠在產(chǎn)品的生命周期中，有效應(yīng)對(duì)范圍最廣的工作條件[2]。

　　SolidWorks Optimization使用了基于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的優(yōu)化方式。要求解某一問(wèn)題，由提供其維度設(shè)計(jì)變量的最大值和最小值，然后選擇“標(biāo)準(zhǔn)”或“高質(zhì)量”優(yōu)化方式。“標(biāo)準(zhǔn)”方式假設(shè)限制值之間的目標(biāo)響應(yīng)曲線是線性的，只計(jì)算這些值處的響應(yīng)?！案哔|(zhì)量”優(yōu)化會(huì)考慮到在限制值之間存在二階響應(yīng)的可能性，除了極大、極小值之外還會(huì)求一個(gè)中間值。這一情況下，設(shè)計(jì)約束不超出材料在靜態(tài)載荷下的屈服強(qiáng)度。

　　 水平鉆進(jìn)工況和垂直鉆進(jìn)工況是錨桿鉆機(jī)工作的兩個(gè)典型工況，對(duì)此兩種工況的優(yōu)化分析結(jié)果將滿足實(shí)際鉆孔作業(yè)中的大部分工況，因此以下主要通過(guò)對(duì)這兩個(gè)工況的優(yōu)化分析來(lái)確定錨桿倉(cāng)的最優(yōu)參數(shù)，以指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)加工。

2.水平鉆進(jìn)工況

　　 水平鉆進(jìn)工況即在邊坡支護(hù)、隧道支護(hù)等工作環(huán)境下鉆水平孔的工況。當(dāng)錨桿倉(cāng)處于水平位置，倉(cāng)上滿載8根鉆桿，每根鉆桿10m，單重350kg，此時(shí)錨桿倉(cāng)承受的外載荷最大。根據(jù)其邊界條件，首先做靜態(tài)載荷下的靜態(tài)分析，然后進(jìn)行施加約束的頻率分析，最后基于以上兩項(xiàng)進(jìn)行錨桿倉(cāng)的優(yōu)化分析。分析結(jié)果如表3。

　　Optimization可以相對(duì)于設(shè)計(jì)變量而標(biāo)繪最大應(yīng)力的變化趨向，變量的應(yīng)力趨向圖是以另外兩個(gè)設(shè)計(jì)變量設(shè)定到優(yōu)化值而標(biāo)繪的圖解。圖1、圖2、圖3分別列出三個(gè)設(shè)計(jì)變量的應(yīng)力趨向圖。

　　3.垂直鉆進(jìn)工況

　　 垂直鉆進(jìn)工況即在地基加固等工作環(huán)境下鉆垂直孔的工況。當(dāng)錨桿倉(cāng)處于垂直位置，倉(cāng)上滿載8根鉆桿，每根鉆桿10m，單重350kg，此時(shí)錨桿倉(cāng)承受最大的外載荷。根據(jù)其邊界條件，首先做靜態(tài)載荷下的靜態(tài)分析，然后進(jìn)行施加約束的頻率分析，最后基于以上兩項(xiàng)進(jìn)行錨桿倉(cāng)的優(yōu)化分析。分析結(jié)果如表6。

　　4.優(yōu)化結(jié)果分析

　　通過(guò)兩個(gè)工況優(yōu)化結(jié)果的綜合分析確定錨桿倉(cāng)的最終參數(shù)：中心管內(nèi)徑95mm，外徑108mm，壁厚6.5mm；中心管圓孔直徑60mm；花鍵軸內(nèi)徑50mm，外徑72mm；筋板直角邊長(zhǎng)度140mm，厚度5mm；托板厚度10mm；依照這些參數(shù)對(duì)錨桿倉(cāng)重新建模，并做有限元分析，分析結(jié)果如下。

　　圖8 垂直工況優(yōu)化的應(yīng)力、位移、應(yīng)變?cè)茍D

　　 水平鉆進(jìn)工況如圖7所示最大應(yīng)力值為90.69MPa，安全系數(shù)大于3；錨桿倉(cāng)全長(zhǎng)為2806mm，最大位移1.372mm，變形0.049%；最大應(yīng)變值是2.572e-4。

　　 垂直鉆進(jìn)工況如圖8所示最大應(yīng)力值78.583MPa，安全系數(shù)大于4；最大位移0.17mm；最大應(yīng)變值是2.682e-4。通過(guò)優(yōu)化分析，使錨桿倉(cāng)的結(jié)構(gòu)更加合理，在滿足強(qiáng)度要求和剛度要求的前提下所用材料質(zhì)量更輕，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

　　5.結(jié)論

　　 受“有限元分析”驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化是工程方面一個(gè)研究領(lǐng)域，采用SolidWorks Optimization的基于“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”的優(yōu)化方式，通過(guò)對(duì)錨桿鉆機(jī)水平鉆進(jìn)工況和垂直鉆進(jìn)工況兩個(gè)典型工況進(jìn)行優(yōu)化分析，確定了錨桿鉆機(jī)錨桿倉(cāng)的最優(yōu)參數(shù)，使錨桿倉(cāng)的結(jié)構(gòu)更加合理、重量更輕且滿足強(qiáng)度和剛度要求，可以用于指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)制造。