Paris公式在结构裂纹诊断中的应用研究

摘要

港机金属结构故障诊断是保障港口安全生产的一个重要研究课题,对大型港口机械而言,其金属结构的故障时有发生,严重地影响生产的安全,并造成重大的经济损失和社会影响.我们运用故障诊断技术对金属结构件的故障进行状态评估和寿命预测,并开发出软(硬件)件系统在实践中应用,并不断的研究、完善以符合实际.根据港机结构出现裂纹这一主要故障的现状,本文的主要工作就是以断裂力学理论为依托,通过实验,结合有限元技术、APDL、UIDL及VB程序开发等关键技术,对港口机械金属结构裂纹诊断的关键理论Paris公式及应用进行了研究、补充和完善,以更符合企业的实际生产需要.本论文的主要内容包括:(1)论述了断裂力学的基本理论及其分支计算断裂力学发展趋势,对疲劳裂纹扩展寿命模型及其在港机金属结构裂纹寿命预测的应用进行阐述.(2)针对港机金属结构故障诊断中的核心-Paris公式的应用,对通过无裂纹时建立有限元模型得到结构应力云图,从而获得分析裂纹扩展寿命所需应力参数的有效性进行了实验研究.(3)通过有限元Ansys技术对该实验中的试件建立有限元模型,对结果进行对照;并利用Ansys计算裂纹试件的应力强度因子同经验公式进行了对照,验证了结果的有效性.(4)通过Ansys二次开发技术对试件中的应力强度因子随裂纹长度增加而变化的数值进行求解并拟合成曲线,以了解裂纹扩展速度的变化率.在此基础上,为更精确、更方便的对结构裂纹进行诊断,提出了根据有限元模型,通过二次开发技术对任意部位的应力强度因子(幅值)及其曲线的求解来对裂纹扩展寿命,速度变化进行诊断的计算框架,对Paris公式的在金属结构裂纹诊断中的具体运用提供了新思路.(5)通过VB改写、完善了原有的港机金属结构故障诊断系统,引入标准型钢数据库及非标准型钢几何特性的计算功能使用户使用更方便;对于无法得到应力云图而企业需要重点巡检的部位,通过其金属结构总图根据专家经验制成

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1概述

1.2起重机金属结构裂纹扩展应用研究

1.3本文的主要工作及意义

第2章断裂力学基本理论及发展

2.1概述

2.2 I型裂纹尖端区域的应力场和位移场

2.3应力强度因子

2.4计算断裂力学的作用与发展

2.4.1计算断裂力学的产生

2.4.2计算断裂力学的发展

2.5疲劳裂纹扩展模型

2.5.1高周疲劳与低周疲劳

2.5.2 Paris公式

2.6影响疲劳裂纹扩展速率的因素

第3章单边裂纹试验研究

3.1实验目的、原理

3.2实验设备、过程：

3.2.1实验设备

3.2.2实验过程：

3.3所测得的数据：

3.4数据处理

第4章基于Ansys的有限元计算

4.1有限元法及Ansys

4.2有限元法计算应力强度因子

4.3利用Ansys进行裂纹试件的计算

第5章Ansys二次开发及实现

5.1 Ansys二次开发简介

5.1.1参数化程序设计语言(APDL)

5.1.2用户界面设计语言(UIDL)

5.1.3用户程序特性(UPFs)

5.1.4 Ansys数据接口

5.1.5二次开发工具之间的比较

5.2基于APDL和UIDL的裂纹求解用户界面实现

5.2.1 APDL中的几个关键技术

5.2.2 UIDL中的几个关键技术

5.2.3基于APDL和UIDL的裂纹求解用户界面实现

5.3 Tcl/Tk工具的应用：

5.3.1 Tcl/Tk的使用特点

5.3.2Tk图形工具集

5.3.3 Ansys与Tcl/Tk的应用程序接口

5.4基于Ansys二次开发的任意部位裂纹求解框架

第6章港机金属结构故障诊断系统软件

6.1概述

6.2软件实现技术

6.2.1 Visual Basic编程语言

6.2.2事件驱动与可视化编程

6.2.3 ActiveX技术

6.2.4 ADO技术

6.3系统的功能组成

6.3.1系统组成

6.3.2系统功能模块运行示例

6.4现场实际应力测试指导图

6.5系统实际应用

第7章全文工作总结及展望

7.1本文总结

7.2展望

附录1

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文