结构边界载荷确定方法及其应用研究

发布时间：2016-06-10 05:50

1绪论

疲劳破坏一般是构件处于交变载荷作用并且作用足够长的时间下,形成裂纹或者完全断裂.构件发生裂纹萌生后,在交变载荷继续作用下,裂纹进一步扩展,最后裂纹扩展到临界尺寸而发生断裂,这不仅和作用在结构上的交变载荷有关,还与作用时间及粘料性能有关。在焊接结构中,由于焊缝处存在着残余应力,容易出现应为集中,并且容焉出现诸多焊接缺陷,如咬边,夹渣,未焊透等。因此,焊缝处极易生成裂纹在裂纹萌生期,由于微观裂纹尺寸非常之小,不易察觉出来,而裂紋扩展速率是非常迅速的,很#结构会出现突然断裂的情况,这种影响对人员安全和物产安全都是巨大的,因此,对结构进行含裂纹缺陷的构件部.分进行疲劳寿命分析非常有必要。在分析构件疲劳寿命过程中,首先要确定构件的载荷情况。在工程实际中,构件的载荷工况通常非常复杂,并且不具有规律性,比如推粑机,其工作环境一般十分恶劣,作用对象状态多元化,交变载荷的变化幅度较大,工作装置经常发1.生刚性冲撞,推、填、护四种工作状态交替进行,而且工作时长一般较长,整个构件受载荷之处很多,由于这些恶劣的工作环境,交变载荷中存在着对疲劳寿命影响很大的冲击载荷。而载荷准确性与否直接决定着寿命大小,对结构设计起着至关重要的作用,因此,确定构件的载荷工况是进行疲劳寿命分析的关键步骤。

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2推粑化H形架横梁结构边界载荷确定方法

2.1H形架横梁焊接结构分析

确定横梁载荷王况类型的前提是对横梁进行受力分析,左、右推杆在横梁轴向上的位移很小,因此,推杆对横梁拉伸或者压缩作用很小,忽略拉伸載荷的影响,再结合护刀上承受的交变载荷的不均勾性与非对称性以及护刀经常发生碰撞,因此,外载荷在横梁上产生扭转作用。提升油艇与左,对横梁产生扭矩和弯矩,也可确定横梁的主要外载是弯矩和扭矩。采用多层焊接结构时,极易产生咬边、未焊透、气孔夹渣等焊接缺陷15^8],由于焊接裂纹容易产生缺口效应而引起较高的应力集中,并且可レ乂延伸扩展,危害很大。焊接缺陷在交变应力作用下容易发展成为裂纹,因此,在工程应用中,通常将这些缺陷等效为疲劳扩展的初始裂纹在考虑带有初始裂纹的焊接结构疲劳性能时,首先考虑内侧矩形主体结构。通过X射线探察裂纹位置,依据横梁结构探伤结果在格合区的左上角(国2-3箭头所指焊缝处)设置水平初始裂纹,并确定裂纹沿橫梁外西纵向长为4mm,宽为2mm。

2.2H形架横梁结构力学分析

若整个推粑机为研究对象会使得后续加载装紋和载荷问题变得异常繁琐,可通过载荷性质及横梁边界载荷来简化模型结构。对于带有初始裂纹的横梁构件,切应力有助于裂纹的扩展作用,因此,本章节选取推祀油缸伸缩量最大时横梁上粑应力最大值所在的截面对祖转及弯矩进行力学分析,如图2-6所示。圆形截面柱体扭转特点是,在扭转变形前后都保持圆形形状。圆形截面的柱体没有发生轴向位移,并且每一个截面只作刚体转动,通曲函数为0。而H形架横梁截面为柱体截面,柱体截面在扭转过卷中发生了垂直于横截面的绕曲变形,即經曲函数不为0。圆粑截面的平面假设不再适用于非圆形截面杆件。因为横梁的主要载荷是弯矩和扭矩,可将横梁截面简化为薄壁杆件的扭转问题,形式上属于约束扭转,又约束组转引起的正应力很小,与自由祖转差别小,可近似认为是自由扭转。

2推粑化H形架横梁结构边界载荷确定方法.......15
2.1H形架横梁焊接结构分析....15
2.2H形架橫梁结构力学分析...17
2.3推粑机H形架横梁边界载前分析........25
2.4本章小结...30
4结构边界载荷反向确定方法误差分析....49
4.1单元类型对应变片粘贴位置精度的影响.......49
4.2确定结构边界载荷工况前误差分析......71
4.3本章小结.......72
5总结与展望........73
5.1总结...73
5.2展望.......75

4结构边界载荷反向确定方法误差分析

4.1单元类型对应变片粘贴位置精度的影响

在实际求解方程(3-6)中位移矩阵过程中,该方法在运用高斯消元法求解线性方程组解过程中避免运用除法,减少了由于精度问题而导致的舍入误差及累积误差,从而很大程度上提高了方程组解的精确度。其基本思路是,在毎次迭代过程中都选择系数矩阵中最大的元素当作主元,并将主元换到主对角上,最后利用此主元消去对角线下面的各个元素,将矩阵变换为上三角形方程组来求解。假设方程展开有如下形式:所谓基于单元的分析方法就是将整个结构体根据几何形状的变化特征划分为节点并对其进行编号,然后按照一定规则将其分解为一个小的构件即单元,基于节点位移,建立每一个单元的节点平衡关系及单元刚度方程;接着将各个单元组合集成起来,得到该结构体的整体平衡方程,按实际情况对方程中一些节点位移和节点为给定相应的值即处理边界条件,然后计算单元的为学参量。

4.2确定结构边界载荷工况前误差分析

如图3-6所示,确定橫梁载荷工况之前分析得到横梁所承受载荷类型为拉伸载荷、垂直弯矩、水平弯矩及扭矩载荷。对于拉伸载荷,文章中将其等效为一个拉为,由于拉伸载荷较小,对横梁载荷工况准确性影响甚微,因此,近似认为横梁承受弯矩载荷和扭矩载荷。对于一般的结构体,当拉伸载荷不容忽视之时,拉伸载荷等效成拉为的数目和作用位置则会对结构体的载荷工况产生较大的影响。在极限情况下,拉伸载荷在每个节点上都等效成一个拉为,而在实际工程问题中,毎增加一个拉力分量,则多需要一个应变花测试某点处的载荷。如困4-6所示,当横梁的拉伸载荷仅等效成一个拉力形时,需要在3个试点布置应变花采集各点的应为,由此得到各个载荷的大小,如公式(3-6)及(3-7)所示。
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5总结与展望

5.1总结

本文给出了结构边界载荷的确定方法,建立起复杂的工程机械结构从截面应变数据的采集到疲劳寿命计算的整体流程,并对该过程中的误差来源进行分析探讨,其计算结果可以为工程机械中复杂结构的抗疲劳设计提供重要的参考依据。并且结合国内某工程机械有限么司的推把机装置中横梁关键部件分析设计项目进行具体研究。本文的研究内容主要包含了以下几个方面:(1)从整体推把机装置中选择H形架局部构件,然后对该局部构件进行静为学分析,得到H形架中横梁局部构件的静力载荷工况,在确定横梁载荷过程中分别对横梁最大切应力所在截面进行了扭矩力学分析和弯矩为学分析,该截面对裂紋的扩展作用十分明显,并通过应变花采集测试点的实际应为状态对载荷工况进行了对比验证。由于选择的截面为最大切应为所在面,因此,该方法得到的载荷工况偏于保守,足够保证实际工程中大型复杂装置的疲劳寿命要求。

5.2展望

结构的边界载荷确定是一个复杂的问题,结构的应变花数量及位置的选择、载荷数据的采集与处理、局部构件的等效截面选择等都会对载形工况的确定产生影响,本义基于整体-局部的分析方法实现了确定结构边界载荷的整个流程,但仍需要对此流程中的毎个模块作进一步丰富和完善,在后续的研究中考虑从以下几个方面加以改善:(1)研究分析空间问题解决方案。文章中着重研究了平面问题的边界载荷确定方法,在后续研究中,可考虑空间问题,引入空间单元类型,如四节点四面体单元、八节点正六面体单元,以获得更加精确的有限元分析。平面问题中矩形单元由于其位移模式的双线性特性而优于常应变王节点王角形单元,但是其缺点是边界适应性弱,因此可以考虑引入等参单元类型,这样可根据不同模型获得精度更加高的有限元计算结果

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参考文献（略）

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本文编号：55460