基于虚拟样机的门座起重机臂架结构疲劳损伤仿真研究

发布时间：2020-04-30 02:02

【摘要】：起重机广泛应用于港口码头、船舶制造、铁路运输、冶金等领域的装卸作业。随着起重机朝大型化发展,为了减轻重量,结构材料由过去使用的低强度碳素钢逐渐开始采用高强度钢,但高强度钢对材料缺陷敏感,断裂韧性较小,易发生脆性断裂。尤其对于港口起重机,其工作条件十分繁重,载荷复杂多变,动态性质显著,在使用一段时间后将出现裂纹,随着裂纹扩展将产生断裂失效。相关统计数据也表明裂纹是起重机金属结构的最主要故障,但由于港口具体条件和设备更新费用的限制,不少老旧且带有裂纹损伤的起重机仍在港口第一线繁忙地作业,给安全生产带来很大的隐患,故对起重机金属结构疲劳寿命及裂纹扩展剩余寿命的计算很有必要性。本课题选取门座起重机关键部件臂架结构作为疲劳损伤研究对象,通过建立门座起重机虚拟样机模型获取臂架载荷-时间历程,利用CAE计算机技术,结合疲劳与断裂理论对臂架结构在仿真得到的载荷-时间历程下进行疲劳和裂纹扩展仿真分析研究,同时提出提高臂架结构疲劳强度措施和裂纹扩展监控方法及裂纹维修方法,并对裂纹维修方法进行数值模拟验证。本文研究方法可以为起重设备设计与使用维护提供新方法和借鉴。本文研究内容及主要成果总结如下:(1)根据门座起重机结构形式、技术参数及作业特点,在动力学仿真软件ADAMS中建立门座起重机的刚柔耦合虚拟样机模型,并进行动力学仿真,获取臂架结构载荷-时间历程。同时对臂架的受力进行解析求解,验证了载荷-时间历程的准确性,为臂架结构的疲劳损伤分析提供准确的载荷-时间历程。(2)结合臂架结构有限元静力分析结果和臂架载荷-时间历程,在Fe-Safe软件中对臂架结构进行疲劳仿真分析,得到臂架结构疲劳寿命云图和相对于设计寿命的疲劳寿命安全系数云图,并提出提高臂架结构疲劳强度的措施。(3)由Fe-Safe软件分析结果,得到臂架结构裂纹易存在的位置,利用ADAMS与ANSYS接口技术,在有限元软件ANSYS中获取裂纹易存在位置的应力-时间历程。最后根据Paris疲劳裂纹扩展公式对这些裂纹疲劳扩展剩余寿命进行估算,求出剩余寿命,同时提出裂纹扩展监测方法。(4)提出了适合起重机结构的裂纹维修方法,并对其进行数值模拟以验证修复效果。
【图文】：

翼缘板,纵向加强筋,连接焊缝,人字架

字架后下部左侧（面向臂架方向）翼缘板母材出现长度为 145mm处的翼缘板纵向加强筋之间的连接焊缝全长开裂，该处的裂纹是对接焊缝出现缺陷，导致出现裂纹，并向翼缘板母材扩张；图 2-变幅平台尾部下翼缘板与人字架翼缘板焊接处开裂，裂纹长度为门座起重机门腿内侧与支承环连接处翼缘板、腹板及筋板母材开

翼缘板,焊接处,下翼缘,变幅

1-2 变幅平台尾部下翼缘板与人字架翼缘板焊接处开1-3 门腿内侧与支承环连接处翼缘板、腹板及筋板母材生的位置主要发生在承受动载荷特征比较明显的部位，门座起重机，，在门腿与上支撑环连接处很容易出现裂纹
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH213.4

【参考文献】