复杂箱形结构件多轴疲劳寿命预测方法研究

摘要

箱形结构件广泛应用于生产中的各个领域，是建筑、桥梁、工程、矿山、港口、石油等各种重型机械的主要承载体，其重要性不言而喻。并且大多数的承载构件在复杂多变的应力状态下工作，这种复杂多变的应力是造成构件破坏的主要原因，我们将这种复杂多变的应力状态称之为多轴应力状态，其失效形式为多轴疲劳失效。因此，箱形结构件的多轴疲劳寿命分析逐渐成为人们研究的热点。
　　 液压支架顶梁作为一种典型的箱形结构件，由于液压支架工况的复杂多变，使得顶梁多数情况下处于多轴应力状态。为了保证液压支架在这种复杂的应力状态下能更好地完成支护工作，对其顶梁的多轴疲劳寿命分析显得尤为重要。
　　 本文首先研究分析了多轴疲劳理论的研究动态，并详细阐述了疲劳寿命理论。针对液压支架的实际工况，认为基于临界面的局部应力应变法适用于多轴应力状态下顶梁的疲劳寿命研究。
　　 通过对液压支架外载特征的分析，将顶梁受载工况基本分为顶梁整体均布受载、中部集中受载、两端集中受载、扭转受载和单侧受载五类。对不同工况下的顶梁进行简化，得到平面受力模型和空间受力模型，并计算出其载荷大小。对各工况顶梁进行静力学有限元分析，得出薄弱易损处和疲劳寿命分析所需要的应力结果。
　　 在FE-SAFE中，根据液压支架试验标准编制综合各工况的载荷谱文件，将静力学分析生成的载荷步与此载荷谱相互叠加，生成疲劳分析所需要的块载荷。选择材料属性和多轴疲劳算法后对顶梁进行疲劳寿命分析，并得出寿命结果以及寿命安全系数。本文的研究为箱形结构件的疲劳寿命分析提供了参考和依据。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 箱形结构件概述

1．1．1 箱形结构件应用领域及研究现状

1．1．2 液压支架箱形结构件的研究现状及发展趋势

1．2 多轴疲劳理论的发展及研究现状

1．2．1 多轴疲劳理论的发展

1．2．2 多轴疲劳理论的研究现状

1．3 课题研究的主要内容及目的意义

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 研究的目的意义

第二章 多轴疲劳分析基础

2．1 疲劳概述

2．1．1 疲劳和疲劳寿命

2．1．2 疲劳类型

2．1．3 影响结构疲劳寿命的因素

2．2 应力状态分析

2．3 多轴疲劳应力应变关系

2．3．1 主应力

2．3．2 主应变

2．4 多轴疲劳概述

2．5 多轴疲劳裂纹萌生和扩展

2．5．1 多轴疲劳裂纹的萌生

2．5．2 多轴疲劳裂纹的扩展

2．6 多轴疲劳损伤参量

2．6．1 多轴疲劳破坏准则

2．6．2 基于临界面法的多轴疲劳损伤参量

2．7 多轴疲劳损伤累积模型

2．7．1 比例加载下多轴疲劳损伤累积模型

2．7．2 非比例加载下多轴疲劳损伤累积模型

2．8 多轴疲劳寿命预测方法

2．8．1 比例加载下的多轴疲劳寿命预测方法

2．8．2 非比例加载下的多轴疲劳寿命预测方法

2．9 本章小结

第三章 液压支架顶梁的失效分析

3．1 液压支架概述

3．2 液压支架结构件

3．3 支架顶梁结构

3．3．1 支架结构件的截面分类

3．3．2 顶梁的具体结构

3．4 支架顶梁载荷特征

3．4．1 支架外载特征来源

3．4．2 顶梁外载特征分析

3．5 顶梁失效分析

3．6 ZF5400／17／32型液压支架技术参数

3．7 顶梁的受力分析

3．7．1 支架整体的受力分析

3．7．2 顶梁的受力分析

3．8 本章小结

第四章 液压支架顶梁的实体模型建立和静力学分析

4．1 顶梁实体模型的建立

4．1．1 UG软件介绍

4．1．2 项梁实体模型的简化

4．1．3 顶梁实体模型的建立

4．2 顶梁有限元模型的建立

4．2．1 有限元理论及ANSYS介绍

4．2．2 单元类型的选择和材料属性的设置

4．2．3 有限元模型的建立

4．3 顶梁静力学分析

4．3．1 整体均布加载及数值分析

4．3．2 中部集中加载及数值模拟

4．3．3 两端集中加载及数值分析

4．3．4 扭转加载及数值分析

4．3．5 单侧加载及数值分析

4．4 各载荷工况下仿真结果综合分析

4．5 本章小结

第五章 液压支架顶梁的疲劳寿命分析

5．1 基于FE-SAFE的多轴疲劳分析概述

5．2 综合静力学中各工况主应力应变分析

5．3 疲劳载荷谱的编译

5．4 疲劳寿命分析

5．4．1 基于FE-SAFE多轴疲劳分析步骤

5．4．2 疲劳损伤算法的选取

5．4．3 载荷步的生成

5．4．4 材料的选择与载荷谱的施加

5．4．3 疲劳寿命结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及参加科研项目情况