錨桿鉆機錨桿倉的優化分析

1. 錨桿鉆機錨桿倉的結構與優化條件

　　 錨桿鉆機錨桿倉是智能型錨桿鉆機關鍵部件。由于其在施工作業時常常處于懸臂狀態，對于錨桿鉆機的整機穩定以及作業時快速更換鉆桿，提高工效，降低勞動強度具有重要意義。對于錨桿鉆機錨桿倉的結構優化可以采用SolidWorks Optimization進行。優化的過程有三個主要組件：目標、約束、變量。最簡單的情況下，經過優化的設計應該通過改變變量求得目標的最大值或最小值，同時確保關鍵性響應不超出所定義的約束條件[1]。

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

　　受“有限元分析”驅動的優化乃是工程方面一個不斷上升的研究領域。盡管程序和技術都可以用來執行這一過程，但替換法研究、靈敏度研究以及形狀優化仍是目前最常用的方法。形狀優化的兩種最常用方法是梯度搜索和實驗設計。后者是以響應面計算為基礎，能夠獲得健壯的解決方案。也就是說，能夠在產品的生命周期中，有效應對范圍最廣的工作條件[2]。

　　SolidWorks Optimization使用了基于“實驗設計”的優化方式。要求解某一問題，由提供其維度設計變量的最大值和最小值，然后選擇“標準”或“高質量”優化方式。“標準”方式假設限制值之間的目標響應曲線是線性的，只計算這些值處的響應。“高質量”優化會考慮到在限制值之間存在二階響應的可能性，除了極大、極小值之外還會求一個中間值。這一情況下，設計約束不超出材料在靜態載荷下的屈服強度。

　　 水平鉆進工況和垂直鉆進工況是錨桿鉆機工作的兩個典型工況，對此兩種工況的優化分析結果將滿足實際鉆孔作業中的大部分工況，因此以下主要通過對這兩個工況的優化分析來確定錨桿倉的最優參數，以指導實際的生產加工。

2.水平鉆進工況

　　 水平鉆進工況即在邊坡支護、隧道支護等工作環境下鉆水平孔的工況。當錨桿倉處于水平位置，倉上滿載8根鉆桿，每根鉆桿10m，單重350kg，此時錨桿倉承受的外載荷最大。根據其邊界條件，首先做靜態載荷下的靜態分析，然后進行施加約束的頻率分析，最后基于以上兩項進行錨桿倉的優化分析。分析結果如表3。

　　Optimization可以相對于設計變量而標繪最大應力的變化趨向，變量的應力趨向圖是以另外兩個設計變量設定到優化值而標繪的圖解。圖1、圖2、圖3分別列出三個設計變量的應力趨向圖。

　　3.垂直鉆進工況

　　 垂直鉆進工況即在地基加固等工作環境下鉆垂直孔的工況。當錨桿倉處于垂直位置，倉上滿載8根鉆桿，每根鉆桿10m，單重350kg，此時錨桿倉承受最大的外載荷。根據其邊界條件，首先做靜態載荷下的靜態分析，然后進行施加約束的頻率分析，最后基于以上兩項進行錨桿倉的優化分析。分析結果如表6。

　　4.優化結果分析

　　通過兩個工況優化結果的綜合分析確定錨桿倉的最終參數：中心管內徑95mm，外徑108mm，壁厚6.5mm；中心管圓孔直徑60mm；花鍵軸內徑50mm，外徑72mm；筋板直角邊長度140mm，厚度5mm；托板厚度10mm；依照這些參數對錨桿倉重新建模，并做有限元分析，分析結果如下。

　　圖8 垂直工況優化的應力、位移、應變云圖

　　 水平鉆進工況如圖7所示最大應力值為90.69MPa，安全系數大于3；錨桿倉全長為2806mm，最大位移1.372mm，變形0.049%；最大應變值是2.572e-4。

　　 垂直鉆進工況如圖8所示最大應力值78.583MPa，安全系數大于4；最大位移0.17mm；最大應變值是2.682e-4。通過優化分析，使錨桿倉的結構更加合理，在滿足強度要求和剛度要求的前提下所用材料質量更輕，滿足優化設計的要求。

　　5.結論

　　 受“有限元分析”驅動的優化是工程方面一個研究領域，采用SolidWorks Optimization的基于“實驗設計”的優化方式，通過對錨桿鉆機水平鉆進工況和垂直鉆進工況兩個典型工況進行優化分析，確定了錨桿鉆機錨桿倉的最優參數，使錨桿倉的結構更加合理、重量更輕且滿足強度和剛度要求，可以用于指導實際的生產制造。