焊接头杆结构应力强度因子分析

摘要

斗杆作为挖掘机工作装置的关键部件之一，其结构安全性能和寿命直接影响整机性能。针对工程实际中存在的斗杆开裂失效事故，本文在分析斗杆现有设计和分析方法不足的基础上，提出了采用有限元法对含缺陷斗杆结构的裂纹前缘应力强度因子进行研究，分析缺陷对结构的影响，主要的研究内容如下:
　　运用壳固混合建模结合子模型技术，对斗杆进行了危险工况下的有限元分析，了解其应力、应变分布。结果显示子模型分析结果和整体分析结果具有很好的吻合性。以子模型为基础，建立含缺陷结构的三维实体模型，从而实现真实载荷下的裂纹前缘的应力强度因子研究。
　　分析了常见焊接裂纹萌生的形式，在实体子模型的基础上建立了含表面裂纹T型单边角焊缝的三维实体裂纹模型，分别对腹板上的焊址、翼板上的焊址和焊波处裂纹的不同类型应力强度因子的变化规律进行了研究。针对板材可能含有轧制缺陷，以底板为研究对象，对不同角度、尺寸和自由表面裂纹的不同类型应力强度因子的变化规律进行了研究。通过上述研究，得到了不同部位裂纹的不同类型应力强度因子的变化规律，揭示了表面裂纹对斗杆的损伤机理。
　　以SWE230挖掘机为实验平台，对斗杆进行了静应力测试实验，验证了有限元分析模型和结果的正确性，同时也间接论证了在此基础上的裂纹前缘应力强度因子研究的边界条件的真实性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景

1．2 课题研究与应用现状

1．2．1 挖掘机工作装置强度研究现状

1．2．2 裂纹前缘应力强度因子在机械领域的研究现状

1．3 课题内容及研究意义

1．3．1 研究的内容

1．3．2 课题的研究意义

2 裂纹损伤对斗杆结构强度的影响

2．1 斗杆结构件中常见的裂纹类型

2．1．1 根据所受载荷形式和破坏方式分类

2．1．2 根据裂纹形状分类

2．1．3 根据裂纹在结构件中的位置分类

2．2 应力强度因子理论

2．2．1 二维应力强度因子计算

2．2．2 三维应力强度因子计算

2．3 裂纹扩展规律

2．4 斗杆开裂失效调查

2．5 本章小结

3 挖掘机斗杆静强度分析

3．1 有限元理论概述

3．1．1 有限元法的基本思想与分析过程

3．1．2 子模型技术

3．1．3 结构分析中的有限元法

3．2 斗杆有限元模型的建立

3．2．1 单元的选择和网格的划分

3．2．2 不同类型单元过渡连接

3．2．3 铰点处模型处理

3．3 斗杆有限元静强度分析及疲劳危险部位的确定

3．3．1 分析工况的确定

3．3．2 边界条件的确定

3．3．3 计算结果分析及疲劳危险部位确定

3．4 实体子模型分析

3．4．1 实体子模型建立

3．4．2 子模型分析

3．5 本章小结

4 含缺陷斗杆应力强度因子计算分析

4．1 斗杆结构分析及焊接接头参数

4．1．1 斗杆结构分析

4．1．2 角焊缝中裂纹萌生部位分析

4．2 含表面裂纹角焊缝应力强度因子计算分析

4．2．1 含裂纹子模型建模

4．2．2 含表面裂纹角焊缝应力强度因子计算

4．3 焊趾处裂纹前缘应力强度因子计算分析

4．3．1 裂纹位置的影响

4．3．2 裂纹形状的影响

4．3．3 裂纹大小的影响

4．4 底板处裂纹前缘应力强度因子计算分析

4．4．1 不同角度裂纹的影响

4．4．2 不同尺寸裂纹的影响

4．4．3 不同自由表面的影响

4．5 本章小结

5 实验验证

5．1 挖掘机斗杆静应力实验

5．1．1 实验目的和内容

5．1．2 实验仪器

5．1．3 实验原理

5．2 实验过程与结果分析

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的主要研究成果

致谢