（徐州盾安建筑工程机械制造有限公司，江苏徐州221000）
摘要利用ANSYS有限元分析软件，建立全回转钻机用套管的有限元分析模型，并进行有限元结构强度分析。由于套管成本高，通过借助ANSYS软件，快速分析出不同长度和不同壁厚的套管结构强度，这对于全回转钻机的施工成本与施工方式具有重要的指导意义。
关键词ANSYS全回转钻机套管
0引言
全回转钻机是一种新型、环保、高效的钻进技术设备，是集全液压动力和传动、机电液联合控制于一体的一种新型钻机。国内自上世纪90年代开始引进全回转钻机用于桥梁和铁路建设，因其具有无振动、无泥浆而作业面干净、成桩质量高、钻进速度快、成孔垂直度高、成孔直径标准和充盈系数小等优点，全回转钻机成桩的施工工法正逐步为国内各个施工单位、设计院（设计单位）所接受，尤其在城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩（地下障碍）的清理、道路、桥梁等项目中得到广泛和深入的应用。
随着全回转钻机[1]的广泛应用，以及所遇到的桩工施工工况也越来越复杂，根据桩深和桩径的不同，套管是否拔出重复利用，所需套管的长度和壁厚也不尽相同。比如四川成兰铁路太平站，出现桩径1.5m、桩深达143.8m的桩基础施工就采用一次性焊接套管（不再拔出重复利用），这样的焊接套管成本比正常可重复利用的套管成本更低，从而实现桩基础施工成本最低化。
本文基于有限元分析软件ANSYS，建立全回转钻机用套管的有限元分析模型[2]，分析套管结构强度。这样能够快速、准确分析出不同长度与壁厚套管的强度，给予施工方提供理论支撑。
1套管结构形式的介绍
套管（如图1所示）作为全回转钻机必须配备与使用的钻进工具，其标准长度有3m、6m、9m和12m，采用螺栓连接加节、组合成任意桩深用的套管。每节套管都含有公接头、母接头和筒体、且每节公接头处含有定位销，底节套管还额外含有刀座（装上刀头、方可切削岩土）；根据套管连接螺纹处于公接头与母接头的位置不同，可分成日式与德式两种；根据对套管强度要求不同，套管筒体可分成单层和双层两种。
2套管强度分析
2.1套管有限元模型的建立
由于套管在全回转钻机施工钻进过程中，可能承受的力有：夹紧油缸的夹紧力、回转马达驱动的回转扭矩、压拔油缸的下压力或者起拔力，所以本次套管有限元分析模型中，同时施加夹紧力、最大回转扭矩和最大起拔力（比最大下压力大6倍左右），确保套管在最恶劣工况下无任何强度问题。
在ANSYS中，使用牛（N）毫米（mm）兆帕（MPa）单位系统，采用shell181单元，将楔块抱紧套管处的环形段上的节点旋转到圆柱坐标系下，并对该环形段上的节点施加轴向起拔力和回转扭矩转化成对节点的切向力，将夹紧油缸的夹紧力转化成对楔块抱紧套管处的环形段曲面施加压力（单位MPa），套管下端周圈全约束，建立起套管的有限元分析模型（如图2所示）。
2.2套管有限元分析
根据套管有限元模型分析计算，求得如图3所示的套管应力云图。通过观察图3套管的应力云图可知，导向柱最大应力为179.69MPa，且最大应力出现在楔块抱紧套管处的环形段曲面上，环形段的下端应力处于20MPa的应力颜色段，环形段的上端应力处于0.3MPa（可视为无应力）的应力颜色段；最大周向线位移为2.1mm。
通过观察图3的应力云图，还可知套管在承受夹紧力、最大回转扭矩和最大起拔力时，受夹紧油缸的夹紧力影响最大。
3结论
通过对套管的有限元ANSYS分析计算，可以快速判断不同长度和壁厚的套管结构强度是否满足施工要求。由于套管成本高，利用ANSYS软件快速、准确分析套管结构强度，这对于全回转钻机的施工成本与施工方式具有重要的指导意义。
参考文献
[1]胡甲磊，魏垂勇，刘梁军.全回转全套管钻机[P].北京：
[2]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010：253-264.
[3]滕聪,曹超，李赛赛，钱万磊.全套管全回转钻机套管夹紧装置[P].北京：