基于Battelle结构应力法的起重机桁架臂寿命评估

摘要

桁架臂起重机广泛用于国民经济建设的各个领域。桁架臂作为重要的承载构件，经常受到扰动载荷的作用，疲劳破坏是其主要的失效形式。根据《GB/T3811起重机设计规范》，起重机设计寿命属于高周疲劳的范畴，来源于疲劳试验数据的S-N曲线法是疲劳评估方法的主流。通过对比研究多个疲劳标准，如ABS、DNV、BS7608、IIW、API、AWS、ASME等，找到适用于桁架臂焊接管结构寿命评估方法具有重要意义。结合K型管疲劳试验数据，发现基于ASME标准中的Battelle结构应力法相比于ABS、DNV、IIW表面外推插值热点应力法在K型管的寿命计算中更具优势。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对比研究多个疲劳标准文献(如ABS、DNV、BS7608、IIW、API、AWS、ASME等)，发现传统的名义应力法缺少适合起重机桁架臂管接头对应的疲劳试验S-N曲线。对于管接头的寿命评估，各标准推荐使用热点应力法并提供了相应的S-N曲线，如船级社ABS、DNV、英国BS7608标准规范中表面外推热点应力S-N曲线和美国标准ASME基于Battelle结构应力法的主S-N曲线。⑵在6种不同网格精度的K型管模型下，基于标准中可参考的几种不同方法计算焊趾处的结构应力，结果表明不同方法对焊趾处结构应力的计算影响不大，Battelle结构应力法对模型网格精度有更强的适应性。通过不同方法计算的寿命与试验结果对比分析，总结了Battelle结构应力法的优势性，为起重机桁架臂寿命评估提供了参考。⑶对25t级海洋平台起重机进行现场静载和动态应力测试试验，验证了有限元模型计算的可靠性。通过对25t级海洋平台起重机，5种工况下的有限元计算分析，找到4处臂架高应力危险区域。并将危险区域Beam单元替换为Shell单元，便于危险区域焊趾处相关应力的提取。⑷利用ASME标准中的Battelle结构应力法，在5种工况下，对25t级海洋平台起重机臂架4处危险区域的16条焊缝进行寿命评估。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 桁架臂起重机概述

1．1．1 桁架臂起重机的特点

1．1．2 桁架臂起重机臂架系统

1．2 起重机桁架臂疲劳寿命研究现状

1．2．1 疲劳的定义及特点

1．2．2 起重机桁架臂寿命研究现状

1．4 本文主要研究内容

1．4．1 选题背景和研究意义

1．4．2 课题研究内容

2 K型管结构疲劳评估方法研究

2．1 名义应力法

2．1．1 名义应力的定义

2．1．2 名义应力法应用于K型管结构的局限性

2．2 表面外推热点应力法

2．2．1 热点应力的定义

2．2．2 管结构外推插值点的选取

2．2．3 FE单元的选择

2．2．4 K型管结构表面外推热点应力S-N曲线

2．3 Battelle结构应力法

2．3．1 网格不敏感结构应力的计算

2．3．2 等效结构应力的转化

2．3．3 适用于K型管的Battelle结构应力法主S-N曲线

2．4 不同K型管结构疲劳评估方法的区别分析

2．5 本章小结

3 K型管疲劳寿命计算及方法论证分析

3．1 K型管有限元模型

3．1．1 K型管的几何尺寸及约束加载方式

3．1．2 单元类型的选择

3．2．2 不同插值区域划分和不同网格密度下的有限元模型

3．3 不同方法焊趾处结构应力的计算及影响因素分析

3．3．1 焊趾处结构应力的提取方法

3．3．2 不同方法对网格精度敏感性分析

3．3．3 不同方法下焊趾处结构应力对比分析

3．4 K型管疲劳寿命计算与试验结果对比分析

3．4．1 焊趾处结构应力的修正

3．4．2 不同方法下K型管疲劳寿命计算对比

3．4．3 方法可靠性验证

3．5 本章小结

4 25t级海洋平台起重机臂架寿命评估

4．1 臂架有限元模型

4．1．1 起重机基本信息

4．1．2 臂架有限元模型

4．2 边界条件及载荷工况

4．3 臂架危险区域的确定

4．4 起重机臂架应力测试试验

4．4．1 应变仪及组桥方式

4．4．2 臂架测试位置的选择

4．4．2 试验工况

4．4．3 试验结果分析

4．5 起重机臂架寿命评估

4．5．1 Battelle结构应力法疲劳评估的流程

4．5．2 危险区域管接头焊趾处应力的计算

4．5．3 臂架焊缝区域疲劳寿命评估

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢