桥式起重机金属结构疲劳损伤和剩余寿命预估研究

摘要

随着我国经济的高速发展，作为厂房、冶金、码头等重要的吊装搬运工具，桥式起重机在国民生产中，起着越来越重要的作用。由于生产和生活的需要，起重机经常要在恶劣的环境下连续工作。随之，造成桥式起重机疲劳事故的频繁发生。在这些事故中，最严重也是最常见的一种就是以疲劳裂纹为特征的桥式起重机箱形梁的疲劳破坏。因此，研究疲劳裂纹产生的原因和扩展情况，以及起重机金属结构的剩余寿命，就显的至关重要。
　　对于起重机结构疲劳断裂与剩余寿命的研究，已经有不少的方法;但这些方法要么是停留在理论阶段，要么是模型过于简单;而且在分析手法上，这些研究方法只研究了从变形直至破坏的两种疲劳破坏的极限状态，并未探究这些裂纹形成的原因和深层机理。因此，不能满足安全生产的实际需要。
　　本课题把断裂力学与损伤力学有机地结合起来，对通用的桥式起重机箱形梁加以研究。首先运用有限元分析软件ANSYS，对焊接箱形梁进行典型工况的分析，绘制出相应的应力图和应变位移图，并找出焊接箱形梁上的危险点。其次，把应变片贴在以上分析的桥式起重机的危险部位，采集起重机疲劳载荷数据，接下来运用雨流计数法，对所得的应力—时间历程进行统计计数，得出该台起重机的疲劳载荷谱。再次，对桥式起重机的疲劳机理进行分析，探讨疲劳裂纹的成因。同时，对所产生的疲劳裂纹进行分类，再分别对线弹性裂纹与弹塑性裂纹进行应力强度因子的分析，得出相应的应力强度因子，讨论这些裂纹附近的应力场。由多裂纹迭代法，得出在多裂纹情况下的应力强度因子与多裂纹附近的应力场情况。最后，将断裂力学与损伤力学相结合，推导出桥式起重机焊接箱形梁在恒幅载荷与变幅载荷下的疲劳寿命，同时对于箱形梁上线弹性裂纹与弹塑性裂纹也进行了寿命分析。再结合Visual C++6.0，开发出桥式起重机寿命预估软件，并对实际的起重机，预估其焊接箱形梁的寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 桥式起重机箱形梁结构分析与疲劳寿命研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 常用的疲劳寿命预估方法

1．2．2 起重机疲劳寿命预估的趋势

1．3 本文主要研究的内容

第二章 结构疲劳损伤与断裂的基础

2．1 疲劳累积损伤理论

2．1．1 线性疲劳累积损伤理论

2．1．2 非线性疲劳累积损伤理论

2．1．3 双线性累积损伤理论

2．2 疲劳断裂的基础理论

2．2．1 高周疲劳与低周疲劳

2．2．2 疲劳寿命

2．2．3 疲劳裂纹扩展速率公式

2．3 桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹的类别与规律

2．3．1 桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹的成因

2．3．2 桥式起重机焊接箱形梁裂纹分类

2．3．3 确定裂纹的分布规律

第三章 桥式起重机的结构分析

3．1 桥式起重机箱形梁的经典力学分析

3．1．1 桥式起重机箱形梁的力学简化模型

3．1．2 计算箱形梁的刚度与强度计算

3．2 桥式起重机箱形梁的ANSYS分析

3．2．1 桥式起重机箱形梁主要参数和典型工况

3．2．2 有限元模型的建立

3．2．3 对有限元模型加载和求解

3．3 本章结论

第四章 起重机载荷数据的采集与载荷谱的编制

4．1 应力数据采集系统的设计

4．1．1 应力数据采集系统的原理

4．1．2 应变片测点的位置

4．1．3 采样频率的确定

4．1．4 应变片的选择

4．1．5 采集系统的软件与硬件的选择

4．2 起重机疲劳载荷谱

4．2．1 载荷谱的简介

4．2．2 雨流计数法

4．2．3 平均应力的修正

4．3 箱形梁结构的S-N曲线

4．3．1 载荷与应力的分类

4．3．2 结构材料S-N曲线的确定

第五章 起重机箱形梁疲劳裂纹分析

5．1 裂纹尖端分析

5．1．1 裂纹尖端附近的应力场和位移场

5．1．2 裂纹前端的主应力分析

5．1．3 裂纹前端屈服区的大小

5．2 疲劳裂纹的ANSYS分析

5．2．1 ANSYS疲劳裂纹分析的基础知识

5．2．2 用ANSYS对疲劳裂纹进行建模与分析

5．3 疲劳裂纹的应力强度因子

5．3．1 单一线弹性裂纹情况下的应力强度因子

5．3．2 小范围屈服弹塑性情况下的应力强度因子

5．3．3 多裂纹应力强度因子

第六章 桥式起重机疲劳寿命研究

6．1 起重机疲劳寿命预估公式

6．1．1 疲劳寿命预估的基础

6．1．2 恒幅载荷下的疲劳寿命预估公式

6．1．3 变幅载荷的疲劳寿命预估公式

6．1．4 结构材料基本参数的确定

6．2 基于Visual C++的桥式起重机软件的编制

6．2．1 Visual C++简介

6．2．2 桥式起重机箱形梁疲劳寿命软件编制的流程

6．2．3 软件界面及其其说明

6．3 工程实例及分析

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文