起重机金属结构疲劳寿命预测与疲劳可靠性研究

摘要

疲劳学无论理论意义上还是工程上都是一门重要学科，对于那些长期承受交变载荷作用的机械零件和工程构件，疲劳破坏是一种主要的破坏模式。应用断裂力学方法研究金属结构的疲劳裂纹扩展机理，预测在役金属结构剩余疲劳寿命，对预防疲劳断裂事故的发生、指导金属结构设计、制造、检验和管理具有重要意义。
　　 用确定性的方法进行疲劳分析时，所得的疲劳寿命都是一个确定的值。但是，结构疲劳是一个受到大量不确定因素影响的极其复杂的现象，因此，根据结构可靠性理论，从概率和统计的角度对结构进行疲劳可靠性分析是十分必要的，这是结构疲劳可靠性评估的一种科学合理的新方法。
　　 本文以起重机金属结构为研究对象，探讨了疲劳载荷下动态响应采样、疲劳裂纹扩展、结构疲劳可靠性以及疲劳可靠度的计算方法。主要工作有：
　　 (1)探讨了结构疲劳载荷谱的采集，以50T×40m桥式起重机桥架为研究对象，对测试原理、测试内容、测点布置做了研究，基于DASP V10智能数据采集和信号处理系统，设计了现场测试静载应力和动态响应整体方案；
　　 (2)研究常见的裂纹扩展寿命预测方法，以断裂力学为理论基础，建立了起重机金属结构裂纹扩展数学模型，用等效应力法和Miner线性累积损伤理论分别预测焊接箱形梁的疲劳寿命，分析两种方法的预测结果，对影响寿命的因素进行分析；
　　 (3)采用有限元方法计算裂纹尖端应力强度因子，并以此为依据进行焊接箱形梁的疲劳裂纹扩展仿真；
　　 (4)探讨结构构件疲劳断裂可靠性、可靠度计算方法以及构件疲劳断裂可靠度计算模型；
　　 (5)以累积损伤和线弹性断裂力学为理论基础，建立起重机金属结构疲劳断裂可靠度计算模型；
　　 (6)根据起重机金属结构疲劳断裂可靠度计算模型，用Monte Carlo数值模拟方法对50TU型集装箱龙门起重机焊接箱形主梁进行疲劳可靠度计算，分析影响疲劳可靠度的主要参数，探讨提高疲劳可靠度的措施

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1结构疲劳强度与疲劳可靠性

1.2现代抗疲劳设计方法

1.2.1现行抗疲劳设计方法

1.2.2抗疲劳设计的两个阶段

1.2.3机械疲劳强度设计思想发展和演变

1.3课题的研究意义及国内外现状分析

1.3.1起重机金属结构

1.3.2国内外起重机金属结构疲劳寿命和可靠性研究现状

1.4论文研究目标与研究内容

第2章 结构疲劳载荷谱

2.1引言

2.2结构疲劳载荷谱采集流程

2.2.1资料收集

2.2.2结构强度分析与危险点确定

2.2.3静载应力和动态响应采样

2.2.4采样数据处理

2.3 DASP V10智能数据采集和信号处理系统

2.3.1应力应变测试原理

2.3.2应变花分析方法

2.4 50T×40m桥式起重机疲劳载荷谱测试方案

2.4.1测试内容

2.4.2测试工况

2.4.3主梁翼缘板测点位置

2.4.4主腹板测点位置

2.4.5铰接端梁测点位置

2.5本章小结

第3章 金属结构疲劳裂纹扩展

3.1引言

3.2断裂力学理论基础

3.2.1应力强度因子

3.2.2断裂韧度

3.2.3疲劳裂纹扩展速率

3.2.4估算裂纹扩展寿命的主要步骤

3.3焊接箱形梁疲劳裂纹扩展机理

3.3.1初始疲劳裂纹位置、形式与尺寸

3.3.2疲劳载荷谱

3.3.3裂纹形状修正系数与材料常数

3.3.4临界裂纹长度

3.4焊接箱形梁疲劳裂纹扩展寿命预测数学模型

3.4.1等幅应力下焊接箱形梁疲劳裂纹扩展寿命预测数学模型

3.4.2变幅应力下焊接箱形梁疲劳裂纹扩展寿命预测数学模型

3.5 50TU型集装箱龙门起重机箱形梁疲劳寿命预测

3.5.1等效应力法预测

3.5.2 Miner线性累积损伤公式预测

3.5.3预测结果分析

3.5.4疲劳裂纹扩展寿命影响因素分析

3.6本章小结

第4章 焊接箱形梁疲劳裂纹扩展仿真

4.1引言

4.2断裂力学理论基础

4.3焊接箱形梁疲劳裂纹扩展仿真

4.3.1子模型技术

4.3.2裂纹单元

4.3.3应力强度因子计算

4.4本章小结

第5章 金属结构疲劳可靠性分析

5.1引言

5.2结构可靠性理论

5.2.1结构可靠度

5.2.2可靠度指标

5.2.3结构构件可靠度计算方法

5.3结构构件疲劳断裂可靠性评估方法

5.3.1裂纹长度模型

5.3.2疲劳寿命模型

5.3.3断裂强度模型

5.4基于线弹性断裂力学的疲劳断裂可靠度计算模型

5.5门式起重机金属结构疲劳断裂可靠度模型相关参数分析

5.5.1初始裂纹长度

5.5.2临界裂纹长度

5.5.3裂纹扩展参数

5.5.4形状函数

5.5.5应力幅值

5.6门式起重机金属结构疲劳断裂可靠度的Monte Carlo模拟

5.6.1计算结果

5.6.2计算结果分析

5.7本章小结

第6章 总结和展望

6.1论文研究的主要内容

6.2论文主要的创新点

6.3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