铸造起重机结构钢Q345B中温环境疲劳损伤研究

发布时间：2018-03-10 13:38

本文选题：铸造起重机　切入点：中温环境　出处：《兰州理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：重大机械装备长期工作在复杂环境下,金属结构和零部件力学性能逐渐退化,一旦发生事故,极易造成重大经济损失和重大人员伤亡。铸造起重机作为一种特殊的重大机械装备,在承受载荷的同时,还受到高温环境的影响,金属结构一旦失效,悬吊于桥架下方的上百吨钢水就会发生倾倒,其后果不堪设想。所以对铸造起重机金属结构寿命评估和可靠性分析对于防止事故发生是非常重要的。铸造起重机金属结构复杂,制造成本较高,用铸造起重机金属结构直接进行疲劳试验研究并不现实,只能通过分析材料的疲劳损伤来预测金属结构的寿命。Q345B钢是工程中广泛应用的结构钢之一,但目前对于Q345B钢的力学性能研究仅有常温下的少量数据,对于中温下的力学性能研究也仅仅是静拉伸力学性能分析,中温环境下Q345B钢的疲劳损伤行为研究更是少之又少,针对这种现状,本文对铸造起重机常用材料Q345B钢,进行了中温环境下的拉伸疲劳试验和裂纹扩展试验,研究了Q345B钢在不同阶段的疲劳损伤行为,具体内容如下:测试了Q345B钢在不同温度下的静拉伸性能,通过不同温度下的应力应变曲线,分析了温度对屈服平台的影响。同时,通过实验数据分析得到Q345B钢弹性模量、屈服极限和强度极限随温度变化的趋势,为中温疲劳试验应力水平的选取提供依据。对Q345B钢进行了不同应力幅值(420~480MPa)和不同环境温度下(20℃~400℃)应力控制的疲劳试验,通过疲劳试验数据分析,得到了不同温度的应变范围变化规律。当环境温度变化时,应变范围变化规律不同,并不是随温度呈现单调的变化趋势,在温度为320℃时,循环初期应变范围迅速下降,出现循环硬化现象,而其它温度应变范围都呈现出上升的趋势,出现循环软化现象。分析不同温度的平均应变变化曲线,当温度为320℃附近时,都经历了平均应变速率稳定阶段,而其它温度的试件直到断裂,应变速率仍未稳定。试验结果表明,由于动态应变时效的原因,在320℃时有效的抑制了循环中的塑性变形。通过不同温度下应力控制疲劳试验数据,以三参数(理论疲劳极限,疲劳抗力系数,疲劳指数)的应力寿命方法拟合出Q345B钢在不同温度下的最大应力与寿命函数关系式,以及平均应力修正后的应力寿命函数关系式,然后拟合出考虑应力安全系数后的应力寿命模型。通过拟合结果发现在320℃时,疲劳极限达到最大值。然后在温度区间20℃~320℃和320℃~400℃,将温度T分别拟合到考虑应力安全系数后的三参数应力寿命模型中的疲劳抗力系数、疲劳指数与疲劳极限中,得到了含温度变量的三参数应力寿命模型和平均应力修正后的三参数应力寿命模型,为Q345B钢在中温环境下疲劳寿命预测提供计算模型。基于损伤力学理论,将循环过程中的平均应变N?与材料断裂时的平均应变f?比值作为损伤变量,在双对数坐标下,通过拟合得出lg(1-D)与lg(1/)f-N N的线性关系,从而确定损伤模型中的待定系数oD(初始损伤)和损伤指数q,在得到不同应力和不同温度条件下所对应的损伤指数q后,将最大循环应力max?和温度T拟合到损伤指数maxq(?,T)中,体现出不同应力以及不同温度对损伤模型的影响。再将包含温度变量T的应力寿命模型代入损伤退化模型中,得到了能够综合体现应力水平和温度变量T的损伤退化模型。将损伤力学与有限元方法相结合,采用有效应力法,对铸造起重机金属结构裂纹萌生阶段寿命进行模拟计算。此方法可以有效的提高在大模型下有限元计算效率。通过不同温度下Q345B钢的裂纹扩展实验,研究了环境温度对Q345B钢裂纹扩展行为的影响,得到了Paris公式中的参数C和m随环境温度T的变化规律。为中温环境下的Q345B钢裂纹扩展行为提供裂纹扩展速率计算模型,从而解决了Q345B钢在中温环境下的裂纹扩展计算问题。将损伤力学理论与应力强度干涉理论相结合,考虑损伤的变化导致有效应力增加,将强度作为随机变量,应力作为随加载次数变化的随机变量,采用抽样仿真的方法,模拟计算出铸造起重机吊钩上横梁随加载次数变化的动态可靠度曲线。此方法为动态可靠性研究提供了新的手段。
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【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG231.1

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