基于MSC.Fatigue的大型反铲挖泥船反铲机臂架结构疲劳研究

摘要

随着港口、航道和海洋水下疏浚工程的蓬勃发展，大型反铲挖泥船反铲挖泥机的疏浚功能和疏浚设备也越来越丰富。目前中国正在服役的BA1100型“津泰”号反铲挖泥船反铲挖泥机已经进行臂架结构改造，并加装大型液压破碎锤，为航道疏浚、水下破岩作业提供了一种有效的作业设备。在加装破碎锤进行水下破岩作业的同时，该船的反铲挖泥机将会承受更加强烈多变的动态载荷。对于客户来说,该反铲挖泥船反铲挖泥机的使用寿命、设备维护、设备维修都是十分重要的,所以针对该船配备的反铲挖泥机臂架结构的静强度、动态特性、疲劳寿命分布的分析就显得十分必要。目前，中国大型反铲挖船反铲挖泥机臂架结构的设计绝大部分都是以静强度作为主要设计准则，与这种传统的设计方法相比，如今的虚拟样机仿真技术在设计阶段就可以判断构件的结构强度弱点、动态载荷集中部位、疲劳寿命的薄弱位置等，通过修改可以预先避免不合理的结构设计和寿命分布，对于提高产品的质量、降低维护成本、提高市场竞争力都具有十分重要的意义。 本文以BA1100大型反铲挖泥船的反铲挖泥机臂架结构为研究对象，对该反铲挖泥机臂架结构进行水下挖泥作业和水下破岩作业的典型工况进行载荷分析计算，然后建立反铲挖泥机臂架结构（含反铲斗和液压破碎锤）有限元模型和刚柔耦合虚拟样机，对典型工况下臂架结构的静强度、动态特性、疲劳寿命分布进行计算分析。为该反铲挖泥船反铲挖泥机日后的使用维护和预防疲劳断裂事故发生提供有效的理论参考，同时对于指导反铲挖泥船反铲挖泥机臂架结构的设计、制造以及加装破碎锤提供一定的理论依据。论文主要研究工作如下： （1）对反铲挖泥机水下挖泥作业和水下破岩作业典型工况的载荷进行分析计算，确定各典型工况下的载荷组合，利用Soildworks三维建模软件建立反铲挖泥机三维模型并导入ANSYS建立其有限元模型，并对反铲挖泥机水下挖泥作业和水下破岩作业典型工况进行静强度校核。 （2）联合有限元分析软件MSC.Patran和动力学仿真软件MSC.Adams，分别建立水下挖泥工况与水下破岩工况反铲挖泥机臂架结构的刚柔耦合虚拟样机，并对各工况下的作业循环进行动力学仿真，分析各工况下臂架结构作业动态特性。 （3）提取MSC.Adams中反铲挖泥机水下挖泥工况和水下破岩工况动力学仿真所得到的载荷时间历程文件，并导入疲劳分析软件MSC.Fatigue的载荷管理器中，然后根据反铲挖泥船反铲挖泥机臂架结构的实际情况对其臂架结构的S-N曲线进行修正。最后运用疲劳分析软件MSC.Fatigue联合反铲挖泥机臂架结构的载荷时间历程、修正S-N曲线、构件柔性体模型完成疲劳寿命计算和寿命预估。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究的目的与意义

1.3 课题相关的国内外研究现状与发展动态

1.3.1 国内外挖泥船发展动态

1.3.2 国内外相关研究的发展动态

1.4 课题主要研究内容与技术路线

第2章 反铲挖泥机构造原理及作业特性

2.1 BA1100大型反铲挖泥船介绍

2.1.1 BA1100大型反铲挖泥船概述

2.1.2 BA1100大型反铲挖泥船作业条件

2.1.3 BA1100大型反铲挖泥船反铲挖泥机概述

2.2 反铲挖泥机配备铲斗水下挖泥作业工况介绍

2.2.1 反铲挖泥机配备铲斗构造原理及技术参数

2.2.2 反铲挖泥机配备铲斗水下挖泥作业范围

2.2.3 反铲挖泥机配备铲斗水下挖泥典型工况基本载荷计算

2.3反铲挖泥机配备破碎锤水下破岩作业工况介绍

2.3.1液压破碎锤概述

2.3.2反铲挖泥机配备破碎锤构造原理及技术参数

2.3.3反铲挖泥机配备破碎锤水下破岩作业范围

2.3.4反铲挖泥机配备破碎锤水下破岩典型工况基本载荷计算

2.4本章小结

第3章 反铲挖泥机臂架结构静强度有限元分析

3.1水下挖泥工况反铲挖泥机臂架结构有限元分析

3.1.1材料属性

3.1.2建立有限元模型

3.1.3载荷组合及边界条件施加

3.1.4有限元计算结果及分析

3.2水下破岩工况反铲挖泥机臂架结构有限元分析

3.2.1材料属性

3.2.2建立有限元模型

3.2.3载荷组合及边界条件施加

3.2.4有限元计算结果及分析

3.3水下挖泥工况与水下破岩工况臂架结构静强度综合分析

3.4本章小结

第4 章 反铲挖泥机臂架结构刚柔耦合动力学仿真

4.1柔性体的实现方法

4.2水下挖泥工况反铲挖泥机臂架结构动力学仿真分析

4.2.1配备铲斗反铲挖泥机刚柔耦合虚拟样机建立

4.2.2水下挖泥工况反铲挖泥机动力学仿真载荷施加

4.2.3动力学仿真计算结果及分析

4.3水下破岩工况反铲挖泥机臂架结构动力学仿真分析

4.3.1配备液压破碎锤反铲挖泥机刚柔耦合虚拟样机建立

4.3.2水下破岩工况反铲挖泥机动力学仿真载荷施加

4.3.3动力学仿真计算结果及分析

4.4水下挖泥工况与水下破岩工况动力学仿真结果对比分析

4.5本章小结

第5章 反铲挖泥机臂架结构疲劳计算与分析

5.1疲劳基本理论

5.1.1疲劳的基本概念

5.1.2影响疲劳强度的因素

5.1.3疲劳寿命预测方法

5.2反铲挖泥机臂架结构疲劳分析过程

5.2.1本文研究工作采用的疲劳分析方法和技术路线

5.2.2反铲挖泥机臂架结构S-N曲线修正

5.2.3疲劳载荷谱获取与查看

5.2.4 MSC.Fatigue疲劳计算软件设置

5.3疲劳计算结果及分析

5.3.1反铲挖泥机水下挖泥工况臂架结构疲劳计算结果及分析

5.3.2反铲挖泥机水下破岩工况臂架结构疲劳计算结果及分析

5.4反铲挖泥机臂架结构疲劳计算结果综合分析

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1研究总结

6.2主要创新点

6.3研究展望

致谢

参考文献

硕士期间参加的科研项目及学术成果

一、参与的科研项目

二、学术成果