含缺陷起重机箱形梁结构的弹塑性断裂参数模拟及安全评定

摘要

起重机作为物料的搬运和装卸的机械产品，其需求量日益增加。但其为人类带来物质财富的同时，也带来了潜在的风险，因结构断裂而造成的安全事故就是其风险之一。服役起重机数量不断增加，特别是老龄及超龄服役的起重机数量逐渐增大，潜在的安全风险也在增加，安全生产形势愈发严峻，迫使人们关注起重机服役期间的性能状态，特别是安全状态，起重机安全评定变得越来越紧迫和重要。
　　本文以起重机箱梁结构为研究对象，从起重机箱形梁结构的弹塑性断裂控制参数的计算和裂纹扩展等方面展开研究，探讨适合于起重机结构的弹塑性断裂控制关键参数J积分的计算方法，以及基于弹塑性断裂的裂纹稳态扩展的条件，初步建立适用于桥（门）式起重机结构安全评定的弹塑性断裂评定流程和以及关键控制参数的有限元模拟方法。论文的主要内容包括:
　　(1)起重机箱形梁结构的破坏特征与工程处理方法。归纳总结服役箱形梁结构的裂纹缺陷种类和扩展机理等规律;并结合桥（门）式起重机金属结构的工作背景，总结出焊接箱形梁结构的性能特点、存在的问题及其缺陷尺寸参数的工程表征规则。
　　(2)对36t起重机箱形梁结构进行静力学分析，计算其所受到的外加载荷，并通过有限元软件对整机做静力学仿真，得出整机的强度和刚度及应力分布情况;给出二维平板J积分的数值计算方法，并举实例说明;在箱形梁结构静力学分析的基础上，加入裂纹，采用有限元软件ABAQUS对其仿真模拟，计算裂纹尖端的J积分值;推导按J控制裂纹扩展的失效曲线FAC;基于屈服原理运用软件直接求解箱梁上穿透裂纹的极限载荷，并得到穿透裂纹板的载荷比Sr的计算式;在已知仿真模拟得到裂纹尖端J积分值以及失效评定图和Sr的计算式的基础上，对含裂纹结构进行安全评定。
　　(3)结合断裂准则，利用扩展有限元法XFEM对裂纹扩展进行模拟;给出用ABAQUS软件对含裂纹的箱形梁结构进行扩展有限元分析的具体流程，得到含裂纹结构的断裂参数以及裂纹单元的扩展方向及状态。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 起重机结构安全的研究现状

1．2．1 结构安全评定的研究现状

1．2．2 起重机箱形梁结构安全评定的研究现状

1．2．3 结构弹塑性断裂的研究现状

1．3 结构安全评定的主要方法

1．3．1 失效评定图技术

1．3．2 概率断裂评定方法

1．3．3 疲劳断裂评定方法

1．4 起重机箱形梁结构安全评定的思路及关键技术

1．5 本文的主要研究目标与研究内容

第2章 起重机箱梁结构安全评定及其关键参数计算

2．1 结构安全评定方法及其流程

2．1．1 BS7910的三级评定方法

2．1．2 三级延性撕裂评定

2．2 弹塑性断裂理论及其重要参数计算方法

2．2．1 线弹性断裂理论

2．2．2 弹塑性断裂理论

2．2．3 J积分计算方法

2．3 本章小结

第3章 箱形梁缺陷分析及工程表征方法

3．1 起重机箱梁的破坏特征分析

3．1．1 箱形梁断裂失效原因

3．1．2 焊接箱形粱缺陷分类

3．2 箱形梁缺陷的工程处理方法

3．2．1 缺陷的表征准则

3．3 裂纹尖端应力、应变的奇异性

3．4 本章小结

第4章 含缺陷箱形梁的弹塑性断裂数值模拟

4．1 起重机金属结构

4．1．1 金属结构参数

4．1．2 起重机金属结构静力学分析

4．1．3 起重机结构的载荷分析

4．1．4 整机结构有限元分析结果

4．2 含裂纹箱梁结构的断裂评定流程

4．2．1 断裂评定流程

4．2．2 评定所需数据

4．3 含裂纹箱梁结构的断裂分析

4．3．1 J积分的数值计算(等效积分区域法)

4．3．2 算例

4．4 裂纹区域的有限元模拟

4．4．1 裂纹单元类型

4．4．2 J积分的有限元模拟结果

4．5 基于J积分的安全评定

4．5．1 失效评定曲线

4．5．2 极限载荷

4．5．3 载荷比

4．5．4 断裂评定结论

4．6 本章小结

第5章 裂纹扩展仿真

5．1 断裂准则

5．1．1 应力参数型失效准则

5．1．2 能量型失效准则

5．1．3 最小J2准则

5．2 扩展有限元法

5．2．1 扩展有限元的定义及特点

5．2．2 扩展有限元的基本原理和近似函数

5．2．3 裂纹扩展方向

5．3 ABAQUS模拟XFEM扩展过程

5．4 裂纹扩展结果

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果