论文题目: 桥式起重机主梁疲劳寿命研究
论文类型: 硕士论文
论文专业: 机械设计及理论
作者: 杨先勇
导师: 刘安中,李友荣
关键词: 桥式起重机,主梁,焊接结构,疲劳寿命,有限元,断裂力学
文献来源: 武汉科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 桥式起重机主梁等构件是典型的焊接结构,其主要失效形式是疲劳断裂。由于在焊缝部位存在焊接缺陷,采用传统的建立在构件无缺陷、无裂纹基础上的强度理论进行设计计算时,往往不能确保起重机在额定载荷下使用的安全性。裂纹的萌生和形成寿命很短,疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹的稳定扩展阶段。因此,应用断裂力学方法研究起重机焊接结构的疲劳裂纹扩展机理,并估算在役起重机的剩余疲劳寿命,对预防疲劳断裂事故的发生,指导起重机的设计、制造、检验和管理具有重要意义。 针对桥式起重机常出现的断裂事故,本文以某冷轧带钢厂现役50t×33m桥式起重机为研究对象,采用有限元法结合现场实测的研究方法,对桥架结构进行了应力分析。在此基础上对应力高且有严重应力集中的危险部位——主梁跨中焊缝采用“板到体子模型”技术,对其进行细化分析,得到跨中焊缝的应力分布。计算表明:主梁跨中焊缝应力最大,且存在严重应力集中,是桥式起重机主要裂纹起源,是影响桥式起重机承载能力的薄弱环节。 根据现场试验和有限元计算编制的各危险部位的载荷谱,采用修正Miner法则结合Corten-Dolan非线性损伤理论和修正后的p—S—N曲线对结构进行疲劳可靠性设计,计算表明:对于应力水平低、没有显著尖峰载荷的结构,加载顺序的影响不大。计算结果与起重机设计寿命基本相符,表明计算结果满足工程上精度要求,该寿命模型是实用和可行的。 采用等效应力法和Miner线性累积损伤法则相结合的方法对焊接结构在变幅载荷下裂纹扩展寿命进行了研究。计算发现:如果主梁跨中焊缝出现初始裂纹,当裂纹扩展速率达到某一临界值时,裂纹的扩展速率明显加快,主梁很快失效;对于工作过程中没有显著的尖峰载荷的结构疲劳裂纹,进行裂纹扩展寿命计算时,可以采用忽略裂纹扩展过载效应和不同幅值载荷循环之间顺序与相互影响的均方根等效应力法与Miner累积损伤法,计算过程相对简单且计算结果满足工程上精度要求。 本文所采用的修正Miner法则结合Corten-Dolan损伤理论进行疲劳可靠性设计的方法不仅适用于桥式起重机的疲劳损伤与寿命分析,也适用于一般的金属结构疲劳损伤与寿命分析;本文采用有限元分析与断裂力学分析相结合的方法为含初始缺陷结构的寿命预测提供了一种工程上可行的方法。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 概述
1．1 桥式起重机的疲劳破坏特性
1．2 构件随机疲劳寿命估算方法
1．2．1 名义应力法
1．2．2 局部应力——应变法
1．2．3 损伤容限设计
1．2．4 疲劳可靠性设计
1．2．5 概率断裂力学法
1．2．6 功率谱密度法
1．3 桥式起重机的寿命估算模型
1．4 有限单元法
1．5 本文的主要工作
第二章 桥式起重机载荷谱的采集
2．1 测试内容
2．2 测试方案
2．2．1 应力测点位置及测试方法
2．2．2 测试框图
2．2．3 测试工况
2．3 测试结果及分析
2．3．1 静态试验各测点应力值
2．3．2 小车(含吊具)重量
2．3．3 吊运过程中应力记录曲线
2．3．4 主梁的动刚度
2．3．5 主梁、铰接端梁动应力的等效曲线与峰值分布
2．3．6 测试数据分析
第三章 桥式起重机桥架三维有限元分析计算
3．1 计算模型
3．1．1 坐标系
3．1．2 单元类型
3．1．3 边界条件
3．1．4 计算载荷
3．2 各种工况下的计算结果及分析
3．2．1 空载小车位于铰接端梁——端(测试零点)
3．2．2 重载小车位于跨中
3．2．3 重载小车位于固定端梁一端
3．2．4 小车满载时计算结果
3．2．5 计算数据汇总
3．2．6 计算结果分析
3．3 主梁跨中焊缝子模型
3．3．1 重载(35．5t)小车位于主梁跨中时，主梁跨中焊缝子模型
3．3．2 满载(45t)小车位于主梁跨中时，主梁跨中焊缝子模型
3．3．3 应用子模型计算结果汇总
第四章 桥式起重机桥架载荷谱及疲劳寿命分析
4．1 材料和焊缝的p-S-N曲线
4．1．1 Q235-A钢的p-S-N
4．1．2 焊缝的p-S-N曲线
4．2 主梁的载荷谱
4．2．1 测点应力
4．2．2 应力谱
4．3 疲劳寿命分析计算
4．3．1 按修正Miner法则计算
4．3．2 按 Corten-Dolan损伤理论计算
4．4 主梁疲劳寿命计算结果分析
4．5 起重机主梁结构维护及保证其安全运行的对策措施
第五章 桥式起重机结构疲劳裂纹扩展分析
5．1 引言
5．2 断裂力学理论基础
5．2．1 断裂理论的选择
5．2．2 疲劳裂纹扩展
5．2．3 进行断裂力学分析的步骤
5．3 裂纹扩展寿命分析
5．3．1 初始裂纹位置、形式与尺寸
5．3．2 应力强度因子计算
5．3．3 临界裂纹长度a_c和材料常数的确定
5．3．4 疲劳载荷谱的确定
5．3．5 变幅载荷下裂纹扩展计算
5．4 计算结果汇总
5．5 计算结果分析
第六章 总结与展望
6．1 总结
6．2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的论文
发布时间: 2005-10-21
参考文献
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