基于有限元法的螺旋钻杆结构强度正交试验分析摘要：我国地域辽阔，土质分布复杂。为了提高岩土工程的效益、效率和质量，开发适用的掘削装置，正确选择和使用掘削工具具有十分重要的意义。岩土掘削试验往往需要投入大量的资金和时间，而且由于试验数据采集难度大，所以很多重要的试验数据无法准确纪录。采用计算机仿真方法研究岩土掘削原理可以大幅地降低研究成本，缩短新产品开发周期。通过仿真可以得到很多实验不能得到的中间数据和最终结果。与纯实验方法相比，试验结合仿真更易于实现优化设计，所以高效的仿真分析将促进岩土掘削的研究[1]。关键词：岩土掘削钻具螺旋钻杆正交试验1.试验与仿真结合的正交试验设计螺旋钻杆是物探钻孔、锚杆钻孔等的常用工具，其主要参数有中心管外径、中心管壁厚、螺旋升角、螺旋外径、叶片厚度等。为了能够以最少的试验次数，实现螺旋钻杆参数的优化设计，利用正交试验法，结合有限元计算，对螺旋钻杆进行分析。根据经验设定螺旋钻杆的外径150mm，长度3m，钻杆重量70kg，施加阻力扭矩1000n·m。正交试验法是应用正交表的正交原理和数理统计分析，用最少的试验次数优选出各因素较优参数或条件的组合[2]。常见的正交表类型和格式见表1。本次试验采用正交表如表3，这里“l”表示正交表；“9”表示总共要作9次试验；“3”表示每个因素都有3个水平；“4”表示这个表有4列，最多可以安排4个因素。表2因素水平表正交设计在挑选代表点时有两个特点：均匀分散和整齐可比。“均匀分散”使试验点有代表性；“整齐可比”便于试验数据的分析。整齐可比指试验点在试验范围内排列规律整齐；均匀分散是指如果将正交设计的9个试验点点成图，我们发现9个试验点在试验范围内散布均匀[3].[4]。2.强度试验分析（c）叶片加载截面径向受力曲线（d）内螺旋受力曲线（e）外螺旋受力曲线图2试验1曲线因篇幅所限，只列出试验1的强度云图及曲线如图1、图2，其他略掉。仿真试验中各因素可以随意安排，本例按a、b、c、d依次安排。并在正交表的右边加“最大应力”（最大应力来自上图的有限元分析）栏，下边加kij和rj记录栏（见表4）。分析计算结果，找出各因素对考核指标影响的主次顺序。采用极差分析法，首先计算各因素不同位级考核指标的极差rj。由rj值的大小可看出，各因素对考核指标（最大应力）影响的主次顺序为：b、a、d、c。确定各因素的较优位级组合。由表4中k1j、k2j、k3j的大小可看出，各因素较优位级组合为：a3b3c3d1。从表4可以看出，中心管直径越大、叶片越厚、中心管壁厚越大、螺旋升角越小，钻杆的强度越大。3.刚度试验分析图3、图4、图5例举了试验1、试验2、试验3的位移云图。各因素可以随意安排。本例按a、b、c、d依次安排。并在正交表的右边加“最大位移”（最大位移来自上图的有限元分析）栏，下边加kij和rj记录栏（见表5）。分析计算结果，找出各因素对考核指标影响的主次顺序。采用极差分析法，首先计算各因素不同位级考核指标的极差rj。由rj值的大小可看出，各因素对考核指标（最大位移）影响的主次顺序为：a、b、c、d。确定各因素的较优位级组合。由表5中k1j、k2j、k3j的大小可看出，各因素较优位级组合为：a3b3c3d2。综合考虑钻杆的强度和刚度特征，分析表4和表5，确定各因素较优位级组合。由表4可见c2与c3相差较小，且c是最次要影响因素，而表5中c也不是主要影响因素，且c2与c3相差不大，所以考虑降低钻杆重量，实现最大经济效益，中心管壁厚选7mm最合适；由表4可见d不是主要影响因素，而表5中d是最次要影响因素，且d2最小，故综合考虑，螺旋升角选20°最合适，这也是与实验分析相吻合的，能够实现最好的输土效果。所以选用a3b3c2d2方案，钻杆在强度上和刚度上都好于其它参数匹配的钻杆，且3m长钻杆质量是72.56kg，满足要求，为最优方案。4.结论螺旋锚杆具在土体性态、钻孔参数和所需功率确定后，对于刀具来说，一般宜采用低速大扭矩切削；对于输土的螺旋来说需要较高的转速。将锚杆动力装置设计为同轴心双驱动，刀具与低速内杆连接，外螺旋与高速连接，以双转速进行动力供给，可充分发挥螺旋锚杆钻具的作用，减少不必要的功耗。本文在螺旋钻杆仿真分析过程中，利用正交试验法，对螺旋钻杆进行有限元分析，确定螺旋钻杆的最优参数为a3b3c2d2，结果显示此方法可以实现螺旋钻杆参数的优化设计。参考文献:[1]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[m].武汉:中国地质大学出版社,2001,15~17.[2]曾德超.机械土壤动力学[m].北京:北京科学技术出版社出版,1995:705~712.[3]郭峰.岩土掘削的数值分析