基于结构完整性理论的桥（门）式起重机箱形梁结构安全评定方法研究

摘要

起重运输机械作为现代工业生产中不可或缺的机械装备，在物料装卸、搬运、生产、救援和维护等领域应用广泛。随着我国社会经济进一步发展，服役起重机特别是老龄化起重机数量逐年增加。一方面，随着起重机服役年龄的增长，结构性能退化和承载能力降低，起重机可靠性和安全性无法得到保证，其结构破坏往往都会带来较大的财产损失和人身伤害;另一方面，在起重机行业和国家层面，目前我国还缺乏一套针对起重机结构安全评定的统一标准，质检部门在对起重机进行报废和维护评估时，如果漏掉某些关键项目就可能导致安全事故发生。如果评估过于保守，就会导致起重机提前退役或报废，造成经济损失和资源浪费。因此，从结构安全和经济利益的角度出发，探索一套科学合理且真正适用于含缺陷起重机结构安全评定的流程和方法，具有重要的工程价值和现实意义。
　　箱形梁作为桥（门）式起重机典型机械承载结构，其主要的破坏形式为疲劳断裂。由于材料和焊接等因素影响，结构中不可避免存在微缺陷和微裂纹，这些缺陷和裂纹在工作载荷作用下，逐步扩展而影响结构强度，最终成为潜在的安全隐患，在实际生产中，因结构疲劳而引发的断裂事故时有发生。论文以某铁路局36t集装箱门式起重机为研究对象，以强度理论、疲劳损伤、断裂理论和可靠性理论等为基础，结合英国标BS7910《金属结构中缺陷验收评定方法导则》，采用理论分析和有限元模拟等手段，从含缺陷起重机箱形梁结构强度退化机理、断裂控制参数和疲劳寿命预测等方面展开研究，探索适用于桥（门）式起重机结构安全评定的方法和流程。本文主要工作包括:
　　(1)分析服役箱形梁结构的裂纹缺陷种类、萌生位置和扩展机理等规律，并结合桥（门）式起重机金属结构的工作背景，总结出其焊接箱形梁结构的性能特点、易存在的问题以及其缺陷形状、尺寸参数的工程表征规则。
　　(2)采用二级常规断裂评定方法，对某集装箱门式起重机箱形梁裂纹缺陷进行了断裂评定研究。通过建立标准裂纹模型，确定评定参数，进行评定计算，并绘制出失效评定图，探索适用于起重机金属结构断裂安全评定的流程和方法。
　　(3)分别采用一阶段和两阶段的裂纹扩展准则，推导出在随机载荷作用下箱形梁结构的临界裂纹尺寸，以及该结构分别在不同裂纹初始参数、不同裂纹位置和不同裂纹扩展规律下裂纹的扩展寿命，并进行比较和分析，探索适用于起重机金属结构疲劳安全评定的流程和方法。
　　(4)结合集装箱门式起重机实际裂纹扩展机理和整机的有限元结果，通过建立箱形梁参数化的裂纹子模型，对含缺陷箱形梁结构进行有限元仿真分析，得到箱形梁下盖板从中心裂纹扩展至边裂纹情况下的应力分布情况;推算出典型工况下裂纹尖端应力强度因子的理论值和有限元值，进行比较分析;同时研究了裂纹尺寸参数、主腹板厚度和下盖板厚度等对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 结构完整性理论

1．2．1 结构完整性概念

1．2．2 焊接结构完整性指标

1．3 箱形梁结构及安全评定方法研究现状

1．3．1 箱形梁结构的研究现状

1．3．2 结构安全评定的主要方法

1．4 论文主要研究工作

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 起重机箱形梁缺陷特征及其工程处理方法

2．1 疲劳分析方法介绍

2．1．1 传统疲劳分析方法

2．1．2 断裂疲劳分析方法

2．2 起重机箱形梁破坏特征分析

2．2．1 箱形梁疲劳破坏原因

2．2．2 焊接箱形梁缺陷分类

2．2．3 箱形梁裂纹萌生源与扩展机理

2．3 起重机缺陷的工程处理方法

2．3．1 无损检测方法

2．3．2 缺陷的表征准则

2．4 本章小结

第三章 起重机箱形梁结构的断裂评定方法

3．1 断裂评定流程和方法

3．1．1 断裂评定流程

3．1．2 评定所需基本数据

3．1．3 三级别断裂评定方法

3．2 起重机整机结构有限元分析

3．2．1 起重机金属结构简介

3．2．2 集装箱起重机结构参数化建模

3．2．3 起重机结构的载荷分析

3．2．4 起重机结构有限元分析结果

3．3 断裂评定计算实例

3．3．1 应力提取

3．3．2 断裂评定参数计算

3．3．3 断裂评定结论

3．4 本章小结

第四章 起重机箱形梁结构的疲劳评定方法

4．1 疲劳评定流程和方法

4．1．1 疲劳评定流程

4．1．2 疲劳评定方法

4．2 疲劳载荷与评定规律

4．2．1 疲劳载荷分析

4．2．2 疲劳评定准则

4．2．3 确定疲劳评定参数

4．3 疲劳评定计算实例

4．3．1 临界裂纹尺寸

4．3．2 疲劳扩展寿命

4．3．3 疲劳评定结论

4．4 本章小结

第五章 含缺陷起重机箱形梁结构的断裂仿真分析

5．1 裂纹模型与边界约束

5．1．1 建立裂纹子模型

5．1．2 边界约束条件

5．2 有限元仿真结果

5．2．1 中心裂纹情形

5．2．2 边裂纹情形

5．3 应力强度因子的计算

5．4 应力强度因子的影响规律

5．4．1 裂纹尺寸参数

5．4．2 下盖板厚度

5．4．3 主腹板厚度

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果