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螺桿(紋、絲)樁的施工是近幾年樁基礎(chǔ)領(lǐng)域中初步發(fā)展起來的一種施工工法，而樁機的鉆桿內(nèi)、外六方接頭在工作中承受較大的扭矩和豎向力，在鉆進的過程中，地質(zhì)條件不同，受力狀況尤為惡劣，常出現(xiàn)早期強度不足和疲勞斷裂等不同原因的失效。實際施工中出現(xiàn)斷裂后處理不及時，會出現(xiàn)埋鉆等嚴重事故，造成極大地浪費。
鉆桿結(jié)構(gòu)如圖所示，接頭1為外六方接頭，接頭2為內(nèi)六方接頭，內(nèi)、外六方接頭所選用的材料是45鋼。技術(shù)要求：鍛打、調(diào)質(zhì)處理HB225-257，外六方表面高頻淬火HRC45-48。其主要參數(shù)性能為：彈性模量E=205GPa，泊松比u=0.29，屈服強度355Mpa。由于鉆桿接頭在使用過程中，地質(zhì)不同、鉆孔深度不同、鉆頭形狀不同，會出現(xiàn)不同的使用工況，鉆桿接頭的受力也大不相同。工況1：螺桿樁機使用的三環(huán)減速機為：ZZSH580-200，電機型號：Y250M-6-37kW,輸出的有效扭矩為136kN，生產(chǎn)的螺紋樁深度為15m。工況2：三環(huán)減速箱改用ZZSH670-92，使用的電機Y315M-8-75kW，輸出的有效扭矩184kN，生產(chǎn)的螺紋樁深度為30m。根據(jù)山東某工地的地質(zhì)報告和施工工法，計算出最大拔樁力分別為：596.31kN和609.12kN。因為地質(zhì)情況不同，要求最大應(yīng)力小于許用屈服應(yīng)力，安全系數(shù)大于1.1，靜態(tài)CAE分析階段關(guān)注的重點是零件所承受的最大應(yīng)力和設(shè)計安全系數(shù)。
在SolidWorks軟件狀態(tài)下，啟動SolidWorks Simulation程序，建立靜態(tài)研究算例，并設(shè)置結(jié)算器為FFEPIus，添加材質(zhì)、約束，并進行網(wǎng)格化分，對圓角部分設(shè)置網(wǎng)格控制。本文中采用四面體網(wǎng)格，內(nèi)六方接頭網(wǎng)格的大小為5.314mm，共計332455個單元；外六方接頭網(wǎng)格的大小為8.945mm，共計369926個單元，如圖所示。運行靜態(tài)分析模塊，獲得接頭的應(yīng)力、設(shè)計安全系數(shù)。根據(jù)工況1的情況加載扭矩和豎向力，得到內(nèi)六方接頭如圖的情況：接頭承受最大應(yīng)力為262.1MPa，小于材料的屈服強度。
SolidWorks Simulation軟件對于單個零件疲勞分析是基于名義應(yīng)力法的，其分析過程首先根據(jù)載荷譜確定零件危險部位的應(yīng)力譜：而后采用材料的S-N曲線，經(jīng)過計算結(jié)構(gòu)危險部位的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合材料的疲勞極限圖，通過插值將材料的S-N曲線轉(zhuǎn)化為零件的S-N曲線；最后再由載荷譜確定的應(yīng)力譜，根據(jù)Miner線性損傷累積規(guī)則計算零件的壽命。在SolidWorks環(huán)境中激活SolidWorks Simulation，建立疲勞算例后，將有限元分析的算例作為恒定振幅疲勞事件添加，負載類型基于零(LR=0)，周期為1000。在有限元模型中應(yīng)用/編輯疲勞數(shù)據(jù)，選擇從材料彈性模量派生，再選擇給予ASME碳鋼曲線，保存45鋼的疲勞SN曲線，即基于雙對數(shù)的疲勞曲線被載入，運行進行分析，得到接頭的生命總數(shù)(周期)和損壞百分比。對工況1運行疲勞算例，得到鉆桿內(nèi)六方接頭的生命周期。對工況2運行疲勞算例，得到鉆桿外六方接頭的生命周期如圖所示。
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