墙面抹灰机的结构设计与抹灰板振动压实过程仿真分析

摘要

近些年来，随着城市化的飞速发展，拆迁改造的大力推进，建筑行业进入蓬勃发展时期。然而，劳动力的紧缺成为制约其发展的一个重要因素，因此，建筑施工机械化成为必然趋势。抹灰机是一种可以替代人工完成大面积抹灰作业的建筑机械，抹灰机的应用可以改变传统人工施工的作业模式，改善其抹灰效率低，人工劳动强度大，且施工周期长等劣势。本课题将设计一种新型的抹灰机，能够实现自动定位调节功能，另外设计一种可调幅的激振装置以适应密实不同的抹灰砂浆材料；最后建立抹灰板-砂浆振动系统有限元模型，基于 Drucker-Prager屈服准则定义砂浆材料，在 LS-Dyna中模拟抹灰板的振动压实过程，分析不同的压实工艺参数组合作用下砂浆层的应力分布特性和位移变化特性，为工程的实际应用提供参考。具体的研究工作内容如下： （1）介绍了抹灰机的研究现状、基本组成结构、工作原理及工作流程，另外对相关振动压实技术研究及振动系统有限元仿真分析作了介绍； （2）按照抹灰机的功能要求，作业方式，确定了抹灰机的总体方案；为保证抹灰砂浆层的绝对平整度和垂直度，且实现机械结构的自动定位，设计了抹灰机的三自由度定位调节方式；针对不同抹灰砂浆层密实度的要求，设计了抹灰机的激振装置；根据抹灰机的技术参数，确定了各个零部件的基本结构尺寸，并对关键零部件进行选型计算，运用Pro/E绘制整机的三维模型，为模型的分析研究奠定了基础； （3）针对抹灰机的关键零部件，运用ANSYS软件进行了有限元分析，校核零部件强度，验证该零部件的安全性；对抹灰机的主传动系统齿轮-齿条动态接触进行了瞬态动力学分析，验证设计的可靠性；特别地对抹灰板进行了动态特性分析，为振动系统的动力学分析奠定了基础； （4）建立了抹灰板-砂浆动力学模型，并基于弹塑性理论，计算了砂浆的弹塑性矩阵表达式；借助LS-Dyna有限元软件定义了Drucker-Prager砂浆弹塑性材料，并进行抹灰板-砂浆振动系统的有限元仿真，将抹灰板的振动加速度与实验采集的加速度信号进行对比，验证了有限元模型的正确性； （5）以振幅、振动频率和移动速度为主要压实控制参数，利用建立的模型进行了多参数仿真，对数据进行了极差分析，得到这三个因素对砂浆正向应力和位移的影响的显著程度，并通过绘制因素趋势图，确定了适用于砂浆薄层振动密实的最佳参数组合。最后，利用MATLAB对砂浆层深度方向的动应力进行数据拟合，发现其值是按指数函数形式衰减的。研究结果为抹灰机合理选用压实工艺参数以及对压实效果的预测提供了理论基础。

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