内外夹持式变径海洋基桩吊具研究与夹持机理分析

论文摘要

大型海洋基桩是近海海洋结构物桩基础的重要组成部分,其自身为内外壁光滑的薄壁长圆筒钢桩,其起吊作业一直是海洋结构物施工建设工程中的一大难题。本文通过对现有各类型的大型海洋基桩吊具的结构特点以及夹持方式进行对比分析,发现现有基桩吊具往往对基桩管壁进行单侧夹持,基桩易发生较大的受力变形而且吊具对同一规格不同管径的基桩的适应性较差。针对这一现状,本文以IHC公司的双边海洋基桩吊具为蓝本,提出一种“内外夹持式变径海洋基桩吊具”的结构方案,以期对上述问题进行改进。本课题来源于国家自然科学基金项目“海洋基桩大型夹吊具夹持承载机理分析及试验研究”(项目批准号:51479043)。针对本文提出的吊具结构形式,分别对吊具的摩擦夹紧以及楔块齿嵌入夹紧两种夹紧方式进行了深入研究,并以此为前提,对吊具的内外夹持方式进行了研究,验证了设计方案的可行性。本文完成的具体工作如下:根据目标基桩的结构尺寸,完成了内外夹持式变径海洋基桩吊具的总体方案研究,具体完成了吊具总体机械结构、工作液压回路以及控制系统软硬件的总体设计,为后续吊具两种夹紧方式的夹持承载机理分析提供基础。针对吊具的摩擦夹紧方式,根据初步选择的夹紧液压缸,首先,分别利用弹性力学薄壳理论、基桩等效曲杆模型以及有限元仿真分别计算了吊具仅夹持基桩外壁与采用内外夹持方式时基桩受载区的弹性变形,获得了基桩在吊具夹持作用下的变形趋势,并对吊具内外夹持方式的可行性进行了验证。随后,为了研究吊具的摩擦夹紧力,对吊具夹紧机构与基桩管壁间的最大静摩擦系数进行了求解。最后,当吊具采用摩擦夹紧方式时,对基桩的起吊过程进行了研究,给出了利用摩擦夹紧方式起吊基桩的安全条件,并对吊具的摩擦夹紧力进行了校核分析。针对吊具的楔块齿嵌入夹紧方式,首先,通过塑性力学滑移线场理论以及Abaqus仿真分析对楔块齿嵌入基桩管壁的相互作用过程进行了深入研究,着重研究了楔块齿齿形角对其嵌入性能的影响以及单齿嵌入与多齿嵌入之间的联系,完成了吊具夹紧楔块的设计工作,并最终确定了夹紧液压缸的结构参数。随后,利用弹性力学理论与Abaqus仿真分析对楔块齿在起吊过程中的受力特性进行了研究,获得了其内部应力分布情况,对楔块齿的强度进行了校核分析,并对楔块齿的等强度廓线进行了研究。最后,对吊具摩擦夹紧与楔块齿嵌入夹紧两种夹紧方式进行了对比分析,给出了各自的优缺点以及适用范围,并且针对重新选型后的夹紧液压缸,对基桩受载区的大塑性变形进行了求解,对吊具采用内外夹持方式的必要性进行了详细分析,进一步验证了吊具设计方案的合理性。为了进一步对吊具的两种夹紧方式进行深入研究,设计制造了小型实验装置进行相关实验研究。对于吊具的摩擦夹紧方式,对其承载能力进行了相关实验研究,获得了实验装置夹紧机构与基桩试件间的最大静摩擦系数。对于吊具的楔块齿嵌入夹紧方式,对不同齿形角以及不同齿数的楔块齿嵌入过程,以及楔块齿的承载性能进行了实验研究,获得了实验装置夹紧机构与基桩试件间的当量摩擦系数。通过实验获得的两种夹紧方式的摩擦系数,对两种夹紧方式的夹持承载能力进行了定量比较,并且通过对实验数据的处理分析,验证了前文中理论分析与仿真的结论。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景、目的及意义
•   1.2 课题相关领域的国内外研究现状
•     1.2.1 大型海洋基桩夹吊具结构设计国内外研究现状
•     1.2.2 弹性薄壳结构静力学问题求解国内外研究现状
•     1.2.3 金属塑性变形与破坏过程有限元仿真分析国内外研究现状
•   1.3 课题相关领域的国内外研究现状分析
•   1.4 课题主要研究内容
• 第2章 内外夹持式变径海洋基桩吊具总体方案研究
•   2.1 引言
•   2.2 大型海洋基桩起吊方案与吊具设计要求
•   2.3 内外夹持式变径海洋基桩吊具总体结构方案研究
•     2.3.1 内外夹持式变径海洋基桩吊具变径方案研究
•     2.3.2 内外夹持式变径海洋基桩吊具夹持方案研究
•   2.4 吊具工作液压回路及控制系统方案研究
•     2.4.1 吊具工作液压回路方案研究
•     2.4.2 吊具控制系统方案研究
•   2.5 本章小结
• 第3章 基桩弹性变形求解与吊具摩擦夹紧承载分析
•   3.1 引言
•   3.2 海洋基桩受载区弹性变形理论计算
•     3.2.1 海洋基桩受载区弹性变形的薄壳理论求解
•     3.2.2 海洋基桩曲杆等效模型求解分析
•   3.3 海洋基桩受载区弹性变形有限元仿真分析
•     3.3.1 基桩单一受载区的弹性变形仿真分析
•     3.3.2 实际工况下四处受载的基桩弹性变形仿真分析
•   3.4 海洋基桩吊具摩擦夹紧承载分析
•     3.4.1 吊具夹紧机构与基桩接触面间最大静摩擦系数求解
•     3.4.2 吊具摩擦夹紧承载分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 基桩塑性变形求解与吊具楔块嵌入夹紧承载分析
•   4.1 引言
•   4.2 吊具楔块齿嵌入夹紧方式与基桩塑性变形机理分析
•     4.2.1 吊具楔块齿嵌入夹紧方式研究
•     4.2.2 塑性材料在复杂应力状态下屈服与流动的力学描述
•   4.3 夹紧机构楔块齿作用下基桩塑性变形过程研究
•     4.3.1 基桩塑性变形过程的滑移线场法求解
•     4.3.2 Abaqus环境下基桩塑性变形仿真分析
•   4.4 楔块齿在起吊过程中的受力特性研究
•     4.4.1 楔块齿在起吊过程中的强度分析
•     4.4.2 楔块齿承受基桩重力载荷的仿真分析
•     4.4.3 楔块齿齿形廓线的等强度设计
•   4.5 吊具摩擦夹紧与楔块齿嵌入夹紧方式对比分析
•     4.5.1 吊具摩擦夹紧方式分析
•     4.5.2 吊具楔块齿嵌入夹紧方式分析
•     4.5.3 吊具内外夹持方式的必要性分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 吊具两种夹紧方式夹持承载机理实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 实验装置总体方案
•     5.2.1 实验装置结构方案
•     5.2.2 实验装置作用力检测方案
•     5.2.3 实验装置应变检测方案
•   5.3 实验过程与数据处理
•     5.3.1 吊具摩擦夹紧承载实验
•     5.3.2 吊具楔块齿嵌入夹紧承载实验
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邢泽阳

导师: 张波

关键词: 海洋基桩,大型吊具,夹持承载机理,楔块嵌入性能,塑性变形仿真

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,建筑科学与工程

单位: 哈尔滨工程大学

基金: 国家自然科学基金项目“海洋基桩大型夹吊具夹持承载机理分析及试验研究”(项目批准号:51479043)

分类号: P75;TU473.1

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