基于ANSYS软件的门式起重机金属结构的参数化设计及疲劳寿命分析

摘要

门式起重机是露天站场的主型装卸机械，其U型金属结构受力状态好，过腿空间大，是集装箱门式起重机的首选结构型式。但门式起重机的工程设计过程复杂而艰涩，常常需要对同一类型但不同规格的起重机械设计做大量的相似或重复工作。设计人员在建立起重机有限元模型上需要花费大量的精力，导致设计周期很长，严重制约了起重机更新换代的速度。另外，在起重机结构设计中主要校核其强度和刚度，疲劳因素考虑很少，且方法复杂，而事实上疲劳破坏作为起重机械金属结构的主要破坏形式之一，决定了起重机的使用寿命。针对以上情况，本论文在研究了参数化设计理论、有限元分析方法及机械结构疲劳寿命预测等理论和方法的基础上，以面向对象的程序设计软件Visual Basic为平台，运用参数化技术和有限元分析软件ANSYS对U型门式起重机金属结构开展参数化设计系统的研究和开发；并以ANSYS软件为辅助工具，运用帕里斯(Paris)公式积分计算出门架结构疲劳裂纹的扩展寿命。 本论文主要内容：(1)根据大量算例和工程经验的基础上，从门机结构有限元分析常用的单元出发，讨论了如何建立合理的门机结构有限元模型，以及门式起重机有限元分析中的模型处理技巧和简化规则。(2)以参数化技术为理论基础，基于ANSYS二次开发语言APDL建立了U型门式起重机的参数化通用有限元结构模型。(3)利用VB开发GUI界面的便捷性，研究开发了U型门式起重机金属结构参数化有限元分析系统，实现了快速建模和确定工况下计算分析等过程，为设计研发人员提供了快速简便的门架结构计算分析实用平台。并以某U型门式起重机为例，论证了软件的实用价值。(4)借鉴前人的实验数据和研究成果，运用ANSYS软件中的子模型技术和应力强度因子模块计算出裂纹在特定工况和特定长度下的应力强度因子，结合帕里斯(Paris)公式积分计算出门架结构疲劳裂纹扩展寿命，为门式起重机疲劳寿命估算提供了实用的新方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1门式起重机发展现状

1.1.1国内起重机发展概况

1.1.2国外起重机发展概况

1.2门式起重机的现代设计方法

1.2.1有限元法

1.2.2优化设计

1.2.3可靠性设计

1.2.4计算机辅助设计(CAD)

1.2.5动态仿真设计

1.2.6模块化设计

1.2.7反求工程设计

1.2.8极限状态设计

1.2.9参数化设计

1.3起重机疲劳寿命分析研究

1.3.1名义应力法

1.3.2局部应力-应变法

1.3.3损伤容限设计

1.3.4疲劳可靠性设计

1.3.5概率断裂力学法

1.3.6功率谱密度法

1.4论文研究选题背景及工程实际意义

1.5论文的主要研究内容

第2章参数化技术、ANSYS软件及其开发工具

2.1参数化技术

2.1.1参数化设计概念

2.1.2常见的参数化方法

2.1.3参数化设计原理及其设计步骤

2.2大型有限元分析软件ANSYS简介

2.2.1 ANSYS软件的特点

2.2.2 ANSYS软件的组成

2.2.3 ANSYS软件的功能

2.3参数化设计语言APDL

2.4大型开发工具Visual Basic

第3章门式起重机金属结构的有限元建模技术

3.1门式起重机结构分析常用单元

3.1.1板单元

3.1.2空间梁单元

3.2有限元计算中的载荷与工况

3.2.1起重机金属结构载荷计算

3.2.2起重机金属结构校核工况

3.3模型的简化处理研究

3.3.1箱型梁结构形式的简化

3.3.2约束与载荷的模型化处理

3.4模型的选择

3.5 小结

第4章U型门式起重机金属结构CAE二次开发

4.1参数化建模的基本思想与步骤

4.2门架结构参数化模型的建立

4.2.1定义单元及材料属性

4.2.2 门机门架基本结构的建立

4.3计算结果及分析

4.3.1刚度校核

4.3.2强度校核

4.3.3结果分析

4.4本章小结

第5章门式起重机金属结构的疲劳分析

5.1断裂力学理论基础

5.1.1应力强度因子

5.1.2断裂韧度

5.1.3疲劳裂纹扩展速率

5.2焊接箱形梁疲劳裂纹扩展机理

5.2.1疲劳裂纹位置确定

5.2.2疲劳载荷谱确定

5.2.3初始裂纹长度ao的确定

5.2.4临界裂纹长度ac的确定

5.2.5材料常数C、m的确定

5.3基于ANSYS的门机疲劳裂纹扩展仿真

5.3.1门式起重机参数

5.3.2疲劳计算载荷处理

5.3.3疲劳裂纹计算模型处理

5.3.4应力强度因子计算

5.3.5门式起重机疲劳裂纹扩展寿命估算

5.4本章小结

第6章总结与展望

6.1本论文的主要工作与结论

6.2本论文存在的不足

6.3展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的论文