基于有限元和断裂力学的抓斗卸船机疲劳寿命评估,物理力学论文

第一章 绪论

由于要频繁搬运货物，抓斗卸船机的结构部件要承受大量的交变载荷作用，这会使其结构构件突然出现断裂的疲劳破坏现象。在对抓斗卸船机钢结构破坏案例进行分析后发现，绝大多数都是由于其在重复应力作用下的金属结构发生疲劳破坏造成的。不仅如此，抓斗卸船机的金属结构通常比较复杂、工作情况复杂多变，其某些重要单元时常在所承受载荷明显小于设计许用载荷的状况下过早出现裂纹，由此引发的突发性结构断裂事故时有发生，造成重大损失。再者，抓斗卸船机的工作环境通常距离海边较近，设备金属结构容易锈蚀。在港口的工作生产设备中，抓斗卸船机的重要作用不言自明，它不但造价高昂，而且生产、装机、调试时间长，维护成本高昂。目前企业中的抓斗卸船机大多已经服役多年，企业对它们的使用寿命或极限状态的预测非常关心，也是研究者迫切需要解决的重要问题。所以，科学系统地进行抓斗卸船机的疲劳寿命估算对于其运行和维修管理有着十分重要的作用[3]。抓斗卸船机属于国家规定强制检验范畴[4]，每两年接受特种设备检验机构进行定期检验。然而，这种法定检验大多数只是常规的安全性能试验，对于抓斗卸船机金属结构的强度计算及疲劳寿命分析这类复杂问题并未涉及。随着质监系统科技兴检的号召，越来越多先进的检验技术应用到起重机械检验中，如无损探伤，应力测试，声发射技术等。
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第二章 结构疲劳寿命估算方法

2.1  抓斗卸船机的疲劳类型介绍
机械疲劳包括随机、变幅以及常幅疲劳。应力幅度和频率都在变化的是随机疲劳；应力幅度变化而频率不变的即变幅疲劳；交变应力的频率及幅度都是固定不变的则为常幅疲劳。抓斗卸船机的疲劳是属于机械随机疲劳，因为变幅小车及抓取物料都是随机的，比如小车在某些因素的影响下会忽快忽慢，而抓斗卸船机抓取的货物不可能完全等量，交变应力也是随机的。 疲劳又可以分为低周疲劳及高周疲劳。区分很简单，完全是以数量来区分的。结构断裂前的循环次数少于 104-105次，而其所受应力高至接近或超过屈服极限，每次循环的过程中都发生塑性变形即低周疲劳；结构断裂前的循环次数Nf大于105-107次，其所受的交变应力远远低于材料的屈服极限，甚至只有屈服极限的大概三分之一即为高周疲劳。一般说来，出于安全考虑，抓斗卸船机的设计名义应力都远小于材料的屈服极限，所以抓斗卸船机的疲劳属于高周疲劳[10] [11]。

2.2  抓斗卸船机疲劳分析方法介绍
疲劳分析就是要对结构进行疲劳设计，用人工借助机器及运行其上的软件，在输入数据进行运算，模拟各种实际运行工况中的情景，探讨各种可能，从而在现实中避免危害的发生，主要目的是防止结构发生疲劳破坏。提高抓斗卸船机产品设计质量的重要保证和重要环节就是需要对抓斗卸船机进行合理的疲劳设计。假如不对其进行疲劳设计，或者设计不够精确，那么显然会对人身及财产安全造成威胁。用来处理动应力及由此而产生的破坏方式的基本方法就是疲劳分析方法，国内外目前采用的疲劳分析方法主要有以下几种[12]。

第三章 抓斗卸船机静强度分析 ........................................... 13

3.1  有限元法概况及应用 ......................................... 13

3.2  抓斗卸船机整体概要 ............................. 15

第四章 抓斗卸船机疲劳寿命分析 ........................................... 27

4.1  材料的疲劳属性 ........................................27

第五章 抓斗卸船机裂纹扩展寿命估算 ...........................37

5.1  线弹性断裂力学的基本参数 .............................37

5.2  疲劳裂纹扩展速率的计算 .............................39

5.3  预测疲劳裂纹的扩展寿命 ............................ 39

5.4  剩余寿命计算 ..................... 40

第五章 抓斗卸船机裂纹扩展寿命估算

5.1  线弹性断裂力学的基本参数
裂纹前缘应力增长的程度对于不同的尺寸、裂纹形状以及受力形式各不相同，与此相应地，应力强度因子也是各不相同的。按欧文在文章里的说法，裂纹表面的位移在常规的应力场中将会依照应力方向以及裂纹的位置之间的关系分为三种类型，在研究中，欧文把关系的三种类型称为撕开型、滑移型以及张开型。与上文所述三种关系相对应的应力强度因子分别为 KⅢ、KⅡ以及KΙ。如图 5.1所示。本论文以下所述应力强度因子 K 全部是Ⅰ型裂纹的应力强度因子 KΙ。因为实际上绝大多数属于最危险的Ⅰ型裂纹。构件的低应力脆性断裂中不少是复合型的裂纹。即便如此，项目进行的过程中为了保证安全一般地将其他的都以张开型处理方法较多。上述公式中的f既可以是a 的函数又可以是常数，其为裂纹加载方式、位置以及形状的系而决定，被称为形状修正因子。一般以毫米来计裂纹尺寸。在表面，假如能够出现裂纹，那么a 就代表了裂纹的深度数值；另一种情况下裂纹的半长度也可以为 a 所表示，比如深埋裂纹以及穿透裂纹。

5.2 疲劳裂纹扩展速率的计算
此为1963年的Paris公式。由上式可知疲劳裂纹扩展的主要控制参量为应力强度因子幅度ΔK，裂纹尺寸a 增大或者载荷水平Δσ 增大即ΔK增大，那么裂纹扩展速率也相应地da/dN增大。对材料疲劳裂纹扩展性能的基本参数进行描述的是由实验确定的裂纹扩展参数 C、m。疲劳裂纹扩展寿命指的是自估算疲劳初始裂纹长度ao扩展至临界裂纹长度ac所经历的载荷循环次数Nc。本论文的研究将Paris裂纹扩展速率公式作为基础对疲劳裂纹展寿命的预测方法展开探讨。此为断裂力学中最为基本的寿命计算方程。利用这个方程能够按照不同的需要对抗疲劳断裂进行设计。主要工作如下： 第一，已知载荷条件Δσ和初始裂纹尺a0，，对临界裂纹尺寸ac以及剩余寿命NC进行估算； 第二，已知载荷条件Δσ，剩余寿命N C给定，对临界裂纹尺寸ac以及允许的初始裂纹a0进行确定； 第三，已知临界裂纹尺寸ac以及初始裂纹尺a0，将剩余寿命NC给定然后估算在使用工况(R)下所允许使用的最大应力σmax。
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第六章 总结与展望

本论文全面地研究和分析了卸船机金属结构疲劳设计和寿命估算方面的方法和理论，并以此为基础，对珠海某煤矿码头一台35吨、1800t/h抓斗卸船机为例，运用疲劳分析软件nCode_DesignLife对无缺陷的设备结构进行疲劳寿命分析，运用断裂力学理论研究和分析了存在初始裂纹的情况的使用寿命。
1）分析和总结了国内外疲劳理论相关研究成果，对疲劳寿命估算方法以及疲劳设计方法的区别和使用范围进行了深入探讨，对抓斗卸船机的实际工作状况进行了详尽的研究和探讨。
2）将各种疲劳寿命分析方法进行了比对，分析了各种方法的优劣并进行初步的归纳和总结，主要介绍和研究了nCode_DesignLife疲劳分析方法。
3）对抓斗卸船机的结构进行研究，使用前后处理器HyperMesh软件对抓斗卸船机建模，用大型有限元分析软件MSC.NASTRAN对抓斗卸船机各种工作状况下的静应力值进行了计算，并对其是否满足刚度以及静强度的要求进行了验证。
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参考文献（略）