塔式起重机起重臂疲劳裂纹扩展及寿命研究

发布时间：2017-08-23 18:36

  本文关键词：塔式起重机起重臂疲劳裂纹扩展及寿命研究

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【摘要】：随着城镇化建设的不断发展，建筑施工对塔式起重机（以下简称塔机）的需求越来越大，塔机的满载率、工作繁忙度也加重，出现倒塌、断臂等安全事故日益增多，其中塔机起重臂的断裂最为严重。 塔机结构主要是格构式空间桁架且大多为焊接结构，故其主要的失效形式为疲劳断裂。塔机焊接构件因焊接缺陷或疲劳应力的交互作用萌生裂纹，裂纹的存在将大大地降低构件的疲劳寿命，但裂纹萌生时间较短，故裂纹扩展阶段是疲劳寿命的决定性因素。 本文基于结构疲劳强度理论和断裂力学知识，，阐述了塔机结构件的疲劳破坏机理及破坏类型，根据QTZ40塔式起重机的结构参数，基于APDL语言和VisualBasic软件对塔机起重臂参数化建模进行封装，从而实现了塔机结构建模的参数化及可视化；在ANSYS有限元分析软件中对塔机起重臂进行静应力分析，获得了塔机起重臂除去根部两跨变幅小车不能达到位置外的34种载荷工况下的应力，同时显示了5种典型工况下的应力图，为塔机起重臂焊接结构的疲劳强度分析提供了依据；同时考虑残余应力的影响，在ABAQUS有限元软件中，计算了塔机起重臂焊接结构件疲劳裂纹的应力强度因子，并通过仿真分析建立了裂纹应力强度因子幅与裂纹长度的函数关系，进而分析了其对塔机起重臂疲劳寿命的影响；最后，结合参考文献中QTZ40塔机载荷起升数据，编制塔机的载荷时间历程，并运用Fatigue疲劳分析软件进行了塔机结构疲劳强度计算和疲劳寿命估算，从而为合理安全使用塔机、制定塔机相关检测规则及结构的安全维护提供了参考。
【关键词】：塔式起重机 疲劳裂纹扩展 参数化建模 可视化 Fatigue
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH213.3
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 本课题的研究背景9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 国内外疲劳裂纹研究现状9-11
• 1.2.2 国内外塔机疲劳寿命预测现状11-13
• 1.3 本课题研究的目的和意义13
• 1.4 本课题的主要研究内容13-15
• 2 塔机结构的疲劳分析15-25
• 2.1 塔机的疲劳分析15-18
• 2.1.1 疲劳的定义与分类15-16
• 2.1.2 塔机疲劳类型的确定16
• 2.1.3 塔机的疲劳破坏机理16-18
• 2.2 断裂与断裂控制18-22
• 2.2.1 断裂力学的提出18
• 2.2.2 裂纹形式及断裂类型18-19
• 2.2.3 应力强度因子及断裂韧性19-20
• 2.2.4 疲劳裂纹扩展速率和paris公式20-22
• 2.2.5 损伤容限和裂纹扩展寿命22
• 2.3 影响焊接结构疲劳强度的因素22-24
• 2.3.1 应力集中23
• 2.3.2 焊接残余应力23
• 2.3.3 材料表面状态23
• 2.3.4 焊接缺陷23-24
• 2.3.5 其他影响因素24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 塔机起重臂参数化设计与有限元分析25-43
• 3.1 有限元分析概述25-27
• 3.1.1 ANSYS软件介绍25
• 3.1.2 有限元分析步骤25-27
• 3.2 参数化和可视化设计27-29
• 3.2.1 参数化设计27-28
• 3.2.2 APDL参数化语言介绍28
• 3.2.3 可视化设计28
• 3.2.4 VB6.0软件简介28-29
• 3.3 塔机的参数化与可视化建模29-39
• 3.3.1 建立塔机起重臂三维实体模型29-32
• 3.3.2 塔机起重臂参数化建模32-39
• 3.4 塔机起重臂有限元分析39-42
• 3.4.1 确定塔机所受载荷39-40
• 3.4.2 塔机静应力分析40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 4 塔机起重臂的疲劳裂纹扩展分析43-53
• 4.1 基于 ABAQUS 扩展有限元的裂纹分析43-44
• 4.1.1 ABAQUS求解断裂力学问题的方法43
• 4.1.2 ABAQUS数值模拟裂纹扩展法43-44
• 4.2 有限元模型建立和分析44-46
• 4.2.1 塔机起重臂的有限元模型44-45
• 4.2.2 下弦杆与水平腹杆焊接处的应力分析45-46
• 4.3 塔机起重臂疲劳裂纹分析46
• 4.3.1 塔机起重臂初始裂纹添加点分析46
• 4.3.2 塔机起重臂裂纹类型的判断46
• 4.4 疲劳裂纹扩展的数值分析46-49
• 4.4.1 应力强度因子计算46-48
• 4.4.2 分析塔机疲劳裂纹扩展速率48-49
• 4.4.3 塔机疲劳裂纹扩展速率的结果分析49
• 4.5 疲劳裂纹扩展寿命预测方法49-50
• 4.5.1 常幅加载时的疲劳裂纹扩展寿命预测49-50
• 4.5.2 变幅加载时的疲劳裂纹扩展寿命预测50
• 4.6 塔机的疲劳裂纹扩展寿命估算50-51
• 4.6.1 确定初始裂纹长度50
• 4.6.2 确定临界裂纹长度50-51
• 4.6.3 塔机起重臂裂纹扩展寿命的预测51
• 4.7 本章小结51-53
• 5 塔机起重臂疲劳寿命分析53-63
• 5.1 Fatigue 软件简介53-55
• 5.1.1 Fatigue软件特点和功能53-54
• 5.1.2 Fatigue分析疲劳寿命的步骤54-55
• 5.2 塔机的疲劳载荷时间历程55-59
• 5.2.1 采集变幅小车运行数据55-56
• 5.2.2 分析数据56-59
• 5.2.3 载荷时间历程59
• 5.3 塔机疲劳寿命预测59-61
• 5.3.1 定义材料疲劳属性59-60
• 5.3.2 塔式起重机疲劳寿命计算60-61
• 5.4 本章小结61-63
• 6 结论与展望63-65
• 6.1 结论63-64
• 6.2 展望64-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-71
• 附录 硕士研究生学习阶段发表论文71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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8 张彦立;王广庆;李曼;;基于VB和ANSYS的风机塔筒参数化建模与分析[J];机电工程;2012年02期

9 侯沂;李世六;王进;陈进;;塔式起重机钢结构疲劳寿命研究[J];土木建筑与环境工程;2009年05期

10 师小红;徐章遂;康健;;基于断裂力学的疲劳裂纹扩展速率公式研究[J];机械设计与制造;2007年10期

本文编号：726641