港机结构失效诊断、控制和维修方法研究及应用

摘要

研究港口起重机(简称港机)金属结构失效(指裂纹、稳定性)诊断、控制和维修的技术，对港机结构运行状态预测、提高港机研发技术和港口设备管理水平等都有较好的指导意义，并可以有效的推进港机制造商改变传统的设计方法和港口设备维修制度改革。港机结构的失效已经引起人们普遍关注，但如何诊断、控制与维修结构失效仍是一个难题。所谓诊断就是如何预测(或确定)结构裂纹发生部位；控制就是现有的缺陷在载荷作用下预测未来某一时刻发展情况，对结构的危害进行评估控制；维修就是对含有缺陷的构件提出修复措施，使结构有效地恢复原有的承载能力。本文以断裂力学、弹性力学、计算机科学为基础，探讨了能用于工程实践的港机结构失效预防、控制与维修技术。(1)根据港机结构的裂纹性质有选择地运用断裂力学理论和疲劳分析方法，给出了港机金属结构疲劳裂纹预测原理和界限应力、临界裂纹概念，给港机结构巡检部位、巡检周期的确定提供了理论依据；(2)运用板的稳定理论，探索了作为港机典型结构之一的薄壁箱型结构在失稳破坏中所涉及到的初曲率问题、弹性模量问题、焊接残余应力问题以及支承条件问题等，运用Marguerr大挠度理论，建立有初始几何缺陷薄壁箱型结构屈曲前承载能力与几何缺陷关系。解释了港机结构失稳破坏的主要部位为门机臂架结构；(3)探讨了焊接对结构的响应。认为由于焊接残余应力对金属结构静强度、疲劳强度和结构稳定性的影响，载荷引起的应力是在残余应力之上的迭加，使薄板在迭加后的压应力作用下，当达到稳定临界值时，板的局部将出现屈曲变形而退出承载，导致金属结构的的整体失稳；(4)从改善(或消除)裂纹尖端应力集中和焊接材料及工艺的观点出发，深刻地探讨了裂纹的维修理论和方法。实践证明：这种方法对裂纹维修具有一定的优势和可靠性；(5)通过维修矩阵比较和评定不同裂纹维修方法的效果，对裂纹进行有效的维修具有重要的参考价值。本课题以2000型(轻型)岸边集装箱起重机(简称桥吊)为研究对象，通过理论分析和管理测试结果，确定桥吊前大粱结构巡检周期和存在几何缺陷门机臂架、桥吊门框等箱型结构屈曲前承载能力。关键词：结构、裂纹、疲劳、几何缺陷、稳定性、维修、巡检周期

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1概述

1.2金属结构的裂纹产生

1.2.1裂纹研究发展概况

1.2.2断裂力学为研究结构的疲劳破坏提供了有力的工具

1.3课题的提出

1.4本文的研究内容

第2章港机结构状态预测

2.1概述

2.2 2000型(轻型)桥吊介绍

2.3近年来港机金属结构的破坏情况

2.3.1金属结构破坏情况

2.3.2港机结构易失效的主要部件

2.4金属结构状态管理之目的

2.5金属结构破坏原因和管理现状

2.5.1局部失稳引起整体破坏

2.5.2疲劳裂纹扩展到临界状态引起破坏

2.5.3腐蚀疲劳

2.5.4港机结构管理现状

第3章失稳破坏

3.1概论

3.2薄板的压曲

3.3带初始挠度四边简支薄板压曲

3.4门机金属结构失稳破坏

第4章疲劳裂纹扩展破坏

4.1断裂力学简介

4.1.1断裂力学的基本观点

4.1.2断裂的三种型式和应力强度因子

4.1.3断裂韧性及测定

4.1.4裂纹张开位移

4.2初始裂纹与临界裂纹

4.2.1初始裂纹

4.2.2临界裂纹的确定

4.2.3由材料的断裂韧性求临界裂纹

4.3巡检周期

4.3.1帕里斯公式积分

4.3.2线性累积损伤

4.3.3桥吊装卸寿命

4.4巡检部位

4.4.1界限应力

4.4.2巡检部位

4.4.3临界裂纹

第5章焊缝对结构的影响

5.1焊接过程与焊接应力

5.1.1焊接过程

5.1.2焊接应力分布

5.2焊接应力和焊接缺陷对强度的影响

5.2.1焊接应力的影响

5.2.2焊缝缺陷的影响

5.3焊接对稳定性的影响

5.3.1对静强度和变形的影响

5.3.2对结构稳定性的影响

5.3.3焊接残余应力及变形分析与数值概念

5.3.4残余应力对臂架结构稳定性的影响

第6章2000型(轻型)桥吊管理测试数据分析

6.1管理测试的意义

6.2测试系统的介绍

6.3桥吊状态判别准则

6.4安全使用期限估算

6.4.1概述

6.4.2安全使用期限预估原理

6.5实测结果分析

6.5.1测试流程、测试工况和测试数据

6.5.2测试计算

6.5.3测试计算结果及分析

第7章裂纹维修方法理论研究

7.1概述

7.2裂纹止裂与维修

7.2.1裂纹的失稳止裂

7.2.2裂纹维修

7.3维修理论的探讨

7.3.1裂纹维修的矩阵表达

7.3.2应用实例

第8章结束语

8.1总结

8.2展望

致谢

参考文献