（机械电子工程专业论文）起重机箱形主梁疲劳寿命研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 起重机作为一种代替人力劳动用于物料搬运的工程机械产品，随着我国 经济建设的发展，对其需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高。箱形 主梁作为起重机重要承载构件之一，直接影响起重机的作业能力，而疲劳破 坏又是起重机箱形主梁常见的破坏形式。因此，研究起重机箱形主梁的疲劳 寿命就显得尤为重要，这样能对起重机箱形主梁结构抗疲劳性能的提高做好 充足的理论准备。 本文结合相关文献的理论研究成果、应用a n s y s 有限元分析软件以及 n s o f t 疲劳仿真软件，通过对起重机箱形主梁疲劳寿命的研究，完成以下内 容： 1 对有限元分析理论在起重机金属结构分析方面的应用进行总结，并归 结出约束方式对有限元分析结果的影响，分别采用壳单元和实体单元两种单 元对箱形主梁结构进行建模，对计算结果进行对比分析，得到了网格划分对 计算结果所造成的影响。 2 利用有限元分析软件a n s y s 建立箱形主梁结构的有限元模型，进行 模型的静态应力分析，采用瞬态动力学分析方法得到结构的应力时间历程， 结合m a t l a b 产生的随机起重量产生典型循环载荷块，最后将有限元分析结果 文件导入n s o f f 软件当中，与材料的s n 曲线和m i n e r 线性累计损伤准则相 结合，采用软件当中的f e f a t i g u e 模块对箱形主梁结构的疲劳寿命进行计算， 得到箱形主梁结构的疲劳寿命，并进一步研究了箱形主梁隔板与下翼缘板之 间的间隙对结构疲劳寿命的影响。同时进行了疲劳试验的部分工作。 3 结合某集装箱门式起重机箱形主梁出现疲劳裂纹的案例，对该集装箱 门式起重机进行实地调研，测量出疲劳裂纹的数量和分布情况，运用本文理 论计算方法分别按照原始设计数据和小车轨道存在偏心距、同时上翼缘板板 厚变薄两种情况分别计算其箱形主梁疲劳寿命。最后提出具体的修复措施。 本文成功的将统计理论、有限元分析以及疲劳寿命计算方法等内容有机 的结合起来用于估算结构的疲劳寿命，研究成果为起重机箱形主梁结构的疲 劳寿命预估提供了理论支持。 关键词：起重机箱形主梁；有限元；载荷循环块；疲劳寿命 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h er e q u i r e m e n ta n dt h ep e r f o r m a n c ed e m a n do ft h ec r a n ew h i c ha st h e e n g i n e e r i n gm a c h i n e r yp r o d u c tw h i c hr e p l a c eh u m a nl a b o rf o rm a t e r i a lh a n d l i n g i si n c r e a s i n gw h e no u rc o u n t r y se c o n o m i cd e v e l o p t h em a i nb e a mi so n eo ft h e m o s tc a r r y i n gs t r u c t u r e s ，i th a st h ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c ec a p a c i t y o ft h ec r a n e t h ef a t i g u ef a i l u r ei sac o m m o nd e s t r u c t i o nf o r m s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ef a t i g u el i f eo ft h ec r a n e sm a i nb e a m ，b e c a u s en o to n l yi t c a nt a k es u f f i c i e n tt h e o r e t i c a lp r e p a r a t i o nf o rt h ei n c r e a s i n go ft h ea n t i f a t i g u e p r o p e r t yo ft h ec r a n e m a i nb e a m ，b u ta l s oc a nt h es a v ec o s ta n dt i m eo nt h e f a t i g u ee x p e r i m e n t t h i sp a p e rc o m b i n et h ec o r r e l a t i o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f to fa n s y sa n dt h ef a t i g u el i f ec a l c u l a t es o f to fn s o f t ， t h r o u g hs t u d y i n go nt h em a i nb e a mo ft h ec r a n e c o m p l e t ef o l l o w i n gc o n t e n t ： 1 s t u d y i n g t h eb a s i c k n o w l e d g e o ff i n i t ee l e m e n t ，s u m m a r i z et h e k n o w l e d g eo ft h ea p p l yo fa n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t ，t h e ns t u d yt h ei m p a c to f t h er e s t r i c tp a t t e r no nt h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b u i l dt h em o d e lo f t h em a i nb e a mw i t ht h es h e l le l e m e n ta n dt h es o l i de l e m e n t ，c o m p a r et h er e s u l t s ， a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fm e s h i n go nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t 2 u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t oe s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h em a i nb e a m ，d o i n gt h es t a t i ca n a l y s i so ft h ef i n i t em o d e l ， g e t t i n gt h el o a dt i m eh i s t o r yo ft h es t r u c t u r eb yu s i n gt h et r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i sm e t h o d o l o g y ，g e t t i n gt h et y p i c a ll o a dc y c l eb l o c kb yc o m b i n i n gw i t h t h er a n d o ml i f t i n gc a p a c i t yw h i c hg e n e r a t e db yt h es o f t w a r em a t l a b ，i m p o r t i n g t h er e s u l tf i l eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si n t ot h es o f t w a r en s o f t ，u s i n gt h e f e - f a t i g u em o d u l ei nt h es o f t w a r en s o f tt oc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f ew i t ht h e m a t e r i a ls - nc u r v ea n dt h em i n e rl i n e a rc u m u l a t i v ed a m a g ec r i t e r i o n a n d g e t t i n gt h ef a t i g u el i f e ，t h e nr e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo ft h eg a pb e t w e e nt h e s e p a r a t o ro ft h em a i nb e a ma n dt h eb o t t o mf l a n g ep l a t eo nt h ef a t i g u el i f eo ft h e s t r u c t u r e 3 c o m b i n i n gt h ec a s eo fam a i nb e a mo fac o n t a i n e rg a n t r yc r a n eb e i n g u s e dg e n e r a t ef a t i g u ec r a c k si naw i d er a n g e ，c a l c u l a t ea n da n a l y s i sc o r r e s p o n d i t ss t r u c t u r ea c c o r d i n gt h em e t h o do ft h i sp a p e r , a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h e d i s t a n c eb e t w e e nt h ec e n t e r l i n eo ft h et r a c ko ft h et r o l l e ya n dt h ec e n t e r l i n eo f t h em a i nw e bo nt h ef a t i g u el i f eo ft h es t r u c t u r e c a l c u l a t et h e1 i f eo ft h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s t r u c t u r eb yu s i n gt h es t r e s sf i e l di n t e n s i t ym e t h o d c o m p a r et h ec a l c u l a t i o n r e s u l t so fd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d sw i t ht h ea c t u a l 1 i f e v e r i f yt h e c o r r e s p o n d i n gr e f e r e n c ev a l u e i n d e xo ft h i sc a l c u l a t i o nm e t h o dw i t ht h ef i n d i n g s a n dc o n c l u s i o n so ft h ec a l c u l a t i o n t h i sp a p e rc o m b i n et h es t a t i s t i c a lt h e o r y ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e c a l c u l a t i o no ft h ef a t i g u el i f es u c c e s s f u l l y , t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt oe s t i m a t e t h ef a t i g u el i f eo ft h es t r u c t u r e t h er e s e a r c hg i v et h et h e o r yp r e p a r a t i o nf o r e s t i m a t et h es t r u c t u r eo ft h em a i nb e a mo ft h ec r a b e k e yw o r d s ：t h em a i nb e a mo fc r a n e ；f i n i t ee l e m e n t ；t y p i c a ll o a dc y c l eb l o c k ； f a t i g u el i f e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：j 瑟历指导老师签名：钰土孚 e t 期：枷l 。“3 0 日期：例0 v 。了o ， 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 研究了起重机金属结构有限元模型的建立、结构的简化规则和技巧， 提出了可以通过建立辅助面和刚性区域两种方法来模拟车轮处约束，使用壳 单元和实体单元分别建立箱形主梁结构有限元模型，将结果进行对比分析， 得出在保证求解准确性的前提下，使用壳单元进行结构有限元分析时，在结 构的局部区域，尤其是应力集中处网格尺寸应控制在1o o m m 一17 0 m m ：使用 实体单元进行结构有限元分析时，在结构的局部区域，尤其是应力集中处网 格尺寸应控制在l m m 一3 m m 。 2 根据起重机动力学理论，利用瞬态动力学分析求解得到冲击载荷时间 历程，结合由m a t l a b 产生的随机起重量创建典型循环载荷块，采用结构疲劳 寿命计算软件n s o f t 的f e f a t i g u e 模块对起重机箱形主梁结构的疲劳寿命进 行计算，为研究箱形主梁的疲劳寿命提供了一种思路。 3 结合某集装箱门式起重机箱形主梁出现疲劳裂纹的案例，对该集装箱 门式起重机进行实地调研，测量出疲劳裂纹的数量和分布情况，运用本文理 论计算方法分别按照原始设计数据和小车轨道存在偏心距、同时上翼缘板板 厚变薄两种情况分别计算其箱形主梁疲劳寿命，最后提出具体的修复措施。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责 任将由本人承担。 学位论文作者签名：炙媳 日苴日 7 0 7 , , o l 口甲了口 日期： dr 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 伴随着现代化大规模生产的发展，作为一种重要的物料搬运机械的起重机 越来越广泛地应用于国民经济各部门，其重要性不言而喻，起重机箱形主梁发 生疲劳破坏是一种常见的破坏形式，通过对发生的近百起起重机箱形主梁疲劳 破坏事故原因分析，有6 0 9 0 的结构疲劳是在重复应力作用下发生疲劳破 坏所致【l 】。箱形主梁作为起重机的承载构件，一旦发生破坏，将会造成整车停 止使用，进而使整个生产单位停产，造成重大经济损失。同时由于破坏前不会 出现明显的宏观塑性变形，其破坏十分突然，往往造成灾难性事故。因此，确 保起重机运行的安全可靠性，显得尤为重要。 当前起重机箱形主梁设计时假设钢板的材料为连续体，无裂纹，也没有考 虑材料的不均匀性和箱形主梁结构焊接时一些部位的断续焊以及是否焊透对 应力造成的影响。而在实际当中，所使用的板材不可避免的存在某种缺陷，特 别是大型铸造件和焊接结构，往往能发现大量的夹杂物、气孔、疏松、未焊透 等缺陷。而且梁在拼装过程中，翼缘外侧角焊缝可用自动焊，而内侧角焊缝由 于已架设筋板，一般用手工焊完成，焊缝不连续，表面及内部缺陷多，成为翼 缘焊缝开裂的敏感区【2 1 。它的危害比未焊透更大。在对许多部门的起重机测试 探伤中也发现，起重机的钢结构往往在较大应力集中处、焊接热应力影响区域 或焊接缺陷处产生严重影响安全的危险裂纹，由于疲劳裂纹导致的脆性破坏的 突然性和灾难性会使起重机的工作安全失去保障。这些由于初始裂纹存在而导 致的结构早期失效，用传统的起重机钢结构疲劳设计和计算方法是无法预测 的，因此这种按传统方法设计出的起重机就难免会存在一些事故隐患。 现在，有许多起重机己经到了预定的寿命期限，因损伤不严重或价格昂贵 仍在服役，有的虽未到寿命期限却出现了不同程度的疲劳裂纹。那么，这些起 重机用还是不用，如果使用还能用多久，成了亟待解决的问题p 】。 虽然对疲劳的研究在不断进行，但疲劳机理和疲劳理论的发展比较缓慢， 许多疲劳问题还需要通过疲劳试验进行分析和解决。影响疲劳强度的因素很 多，即使最先进、最精确的疲劳设计和疲劳分析方法，也不能把影响疲劳强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的全部因素考虑进去，况且目前还没有最精确的疲劳试验方法可以将疲劳机理 和疲劳的主要理论彻底地弄清楚。当前，世界各国的疲劳问题，主要还是靠疲 劳试验来解决。用理论方法来预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度之 前，进行疲劳试验是必不可少的。 开展起重机钢结构疲劳试验及疲劳设计研究，将为制定我国疲劳强度设计 规范打下一定基础，可实现较大的社会经济效益，具有广泛的应用前景。 1 2 国内外箱形主梁疲劳研究现状综述 近十几年来，国际上疲劳强度设计及试验发展很快，疲劳设计已从许用应 力法发展到半概率法及概率设 计方法。疲劳试验已从最大应 力法发展到应力幅法即以应 力幅作为疲劳的主要影响因 素。从许用应力法、半概率法 直至概率法设计起重机钢结构 疲劳强度是当前的最新观点和 发展趋势。在8 0 年代初，美国 研究委员会运输研究局，对“带 有筋极和附件的钢梁”，应用应 力幅法进行了疲劳试验研究。 太原重机 。篙：怒o 凛盟。 美国 。警：镒嚣 o 赫 图1 1 研究现状 试验结果被美国起重机制作商协会制定的电动桥式起重机规范“c m a a ”中引 用。8 0 年代中期，欧洲钢结构协会曾对各种钢结构接头进行了疲劳试验，用 得到的载荷- 应力- 寿命( p s - n ) 曲线，制定了基于半概率设计钢结构疲劳强度 的“欧洲钢结构疲劳强度设计规范e c c s ”口】。在国内，北京起重机研究所、 大连起重机厂及武汉钢铁学院等，在8 0 年代末9 0 年代初均对起重机粱进行了 疲劳试验研究。由于当时对疲劳破坏认识不够，尚未接受应力幅试验法。而应 用常幅疲劳试验，所得到的实验数据尚与实际有差距，未应用到可靠性设计中 去。 太原重机学院翟甲昌对两种尺寸箱形粱试件在电液伺服程控疲劳试验机 上按“低- 高低”次序进行加载试验，试验当中，并对裂纹的扩展进行了分析， 绘制了裂纹扩展曲线，最后得到了箱形梁疲劳裂纹扩展的p a i l s 公式【”。 北京起重机研究所李鹏以机加工车间的桥吊为测试样机，采用电测法得到 实测的箱形主梁应力时间历程，经统计分析表明，箱形主粱应力幅最大值服从 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 正态分布。并对机械建筑行业使用的多台桥式起重机进行了实测，并收集了部 分吊重的变异情况通过统计分析得到了起重机箱形主梁的自重与不同载荷谱 系数下的载荷分布情况【5 j 。 文献 6 比较了起重机正轨、半偏轨和全偏轨三种形式箱形主梁的疲劳寿 命，研究表明轨道偏心距对正轨梁和半偏轨梁的疲劳强度不起作用，而对全偏 轨梁有一定影响。并根据所得到的15 根梁的疲劳寿命数据，提出了起重机焊 接箱形梁的中值s 曲线，并根据实测的应力幅临界裂纹长度曲线，分别按 不同的裂纹形状，得到了梁的疲劳裂纹扩展速率。 西南交通大学程文明针对起重机承受随机载荷的特点，以等幅载荷疲劳裂 纹扩展阶段的p a r i s 公式为基础，用计算机模拟估算出桥门式起重机焊接箱形 梁的疲劳裂纹扩展寿命。在充分利用实验数据和研究成果的前提下。通过定义 单个载荷循环所造成的疲劳损伤量，给出了一个结构疲劳载荷过程进行模拟分 析的非线性累计损伤模型，同时证明该损伤模型能够正确反映载荷次序效应等 疲劳累计损伤规律【7 j 。 1 3 疲劳载荷的类型与基本术语 能够使零件发生疲劳破坏的载荷称为疲劳载荷，可分为为两类。一类是交 变载荷，其大小和正负方向随时间作周期性地变化，另一类是大小和正负方向 随时间随机变化的随机载荷。前者又称为循环载荷，是最为简单和基本的疲劳 载荷形式。所研究结构部位因交变载荷引起的应力称为交变应力。 图1 1a ) 是一个典型的交变应力时间的变化历程。图中循环应力的大小 和正负方( 拉压) 向随着时间的变化而作周期性的变化。一个周期的应力变化 过程称为一个应力循环。通常用循环中的最大应力仃m a x 、最小应力o m i n 和周期 t ( 或频率户1 t ) 来描述应力循环特点。由于最大应力和最小应力的绝对值相 等而正负号相反，所以称这种交变应力为对称循环应力。典型的循环载荷如圆 轴类杆件的旋转弯曲、轴向拉压和平板零件的双向弯曲等，都可以在零件的表 面或内部产生这样的交变应力。另外，轴类零件的双向扭转也可以产生类似的 交变应力。 俘玑瓜一八陌 1 惑v 俗玑仃叭 趔仫v a ) 对称循环交变载荷b ) 不对称循环交变载荷 图卜l 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在疲劳载荷的描述中经常使用应力幅仃。和应力范围a o ( 也称为应力振幅、 应力幅度) 的概念，定义如下。 仉= o m a x - - o m i n ( 1 - 1 ) 4 2 a o = q 懈一i n = 2 0 - a ( 1 - 2 ) 交变应力在一个应力循环中变化大小的程度由应力幅盯。反映，其是导致 金属构件发生疲劳破坏的根本原因。 当研究的部位除承受有动载荷外，还有静载分量荷时，动静载荷的共同作 用下的应力一时间变化曲线如图1 1b ) 所示。此时的载荷时间一变化曲线相当 于把图1 1a ) 的对称循环应力曲线向上平移一个了静应力分量。这种的循环 载荷称为不对称循环载荷，并用最小应力与最大应力的比值r 来描述循环应力 的不对称程度，r 称为应力比，有时又称为不对称系数，即 r = 旦亟 ( 1 - 3 ) 觚 由定义可知，当r = - 1 时的循环应力即为对称循环应力，当r 0 时统称 不对称循环应力。其中，r = 0 时为拉伸脉动应力，r = 一o o 时为压缩脉动循环。 循环应力中的静载分量通常称为平均应力，用表示，可由下式求出。 ：o m a x _ + o 一 m m ( 1 - 4 ) 二 静载分量或平均应力对构件的疲劳强度有一定的影响。压缩平均应力往往 提高构件的疲劳强度，而拉伸平均应力往往降低构件的疲劳强度。因此，在疲 劳强度和疲劳寿命的研究中，给定一个循环应力水平时，需要同时给出应力幅 盯a 和应力比r 、或者同时给出最大应力仃m a x 和平均应力，也有时直接给出最 大应力a x 和最小应力盯m i n 来表示循环应力水平。 由以上各式可知，在应力幅、平均应力、应力比、最大应力和最小应力的 参数中，只要已知其中的两个便可求出其它。如当已知盯”r 时，其它参数便 可由下式得到。 2 仃嘣5f io a 2 尺 仃r a i n 。f i ，、1 + r ( 1 5 ) o m 2 丁二i o a 或者已知或盯 仃m 时， “= + q n i n = 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 构件随机疲劳寿命估算方法 1 4 1 名义应力有限寿命设计法 ( 1 6 ) 名义应力法以名义应力为设计参数，从材料的s 曲线出发，考虑各种因 素影响，得出零件的s 曲线，并根据零件的孓曲线进行疲劳设计。有限寿 命设计法常称为安全寿命设计法。属于无限寿命设计法的直接发展，与无限寿 命设计法不同之处在于有限寿命设计法所使用的s 。曲线的左支一斜线部分。 因为斜线部分的疲劳寿命各不相同，所以在对s 曲线进行修改时必须考虑循 环数各影响系数的影响。无限寿命使用时设计应力都应低于疲劳极限，因此比 设计应力低的应力对于零件的疲劳强度没有影响，只需按最高应力进行校核即 可。但是在有限寿命设计时，设计应力一般高于疲劳极限，这时不能仅考虑最 大应力，而应该按累计损伤理论计算总的疲劳损伤。 载荷谱 确定结构 危险部位 结构得有 限元分析 材料的 s n 曲线 危险部位的 名义应力谱 疲劳损伤 累计理论 危险部位 疲劳寿命 图1 - 2 名义应力法计算流程图 名义应力有限寿命设计法流程图如图1 2 ，其估算结构疲劳寿命步骤如下： 1 确定结构的危险部位； 2 求出危险部位的名义应力和应力集中系数厨； 3 根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱； 4 应用插值法求出当前应力集中系数和应力水平下的s 曲线，查s 曲线； 5 应用疲劳损伤累计理论，求出危险部位的疲劳寿命； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 2 局部应力应变法 局部应力应变法依据材料的应力应变曲线，通过弹塑性有限元分析或其 它计算方法，将结构上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，然后 根据危险部位的局部应力应变历程估算寿命。局部应力应变分析法的出发点有 以下4 个方面： 1 零件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大局部应变处开始。 2 在裂纹萌生以前，都要产生一定的塑性变形。 3 局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件。 4 决定零件疲劳强度和寿命的，是应变集中处的最大局部应力应变。 由此可见，只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。因而，应力集 中零件的疲劳寿命，可以认为与局部应力应变值相等的光滑试样的疲劳寿命相 同，可以用光滑试样的应变一寿命曲线进行分析。应力应变分析较精确的方法 有弹塑性有限元法和实验应力分析方法，工程上常采用比较简单实用的近似方 法，如n e u b e r 法、修正n e u b e r 法、修正s t o w e l l 法和h a r d r a t h o h m a n 法等， 其中应用广泛的是修正n u e b e r 法。 局部应力应变法流程图如图1 3 ，其估算结构疲劳寿命步骤如下： 1 确定结构的危险部位； 2 求出危险部位的名义应力谱； 3 采用弹塑性有限元法或其他方法计算局部应力应变谱； 4 查当前应力应变水平下的矿曲线； 5 应用疲劳损伤累计理论，求出危险部位的疲劳寿命。 局部应力应变法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方 法。其基本的设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。这种方法认为， 构件的疲劳破坏总是从应变集中部位的最大应变处开始，并且在裂纹萌生以前 都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决 条件，因此构件的疲劳性能就取决于该局部的应力状态。只要最大局部应力应 变相同，疲劳寿命就相同。在应力应变分析中需要用到材料的循环应力应变曲 线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 载荷谱hl 仃笺线h 卜曲线 力分析 结构几 何尺寸 危险部位的 名义应力谱 损伤累计 理论 霉薹妻釜卜l 三三兰至二陋 力应交谱l l 一l 一 图1 3 局部应力一应变法计算流程图 在局部应力应变分析的基础上，可以用雨流法或其它循环计数法把复杂的 载荷时间历程分解为一系列的载荷循环，以便用等幅疲劳试验得到的s 曲线 进行疲劳损伤计算。计算疲劳损伤理论有基于材料循环应变与疲劳寿命关系的 m a n s o n 。c o f f i n 公式和基于材料循环能量变化理论。为了求出每一循环所造成 的损伤量d l ，需要采用损伤公式。工程常用的有l a n d g r a f 公式、d o w l i n g 公式、 b e r g m a n 公式、e r d o g a n 公式和s m i t h 公式等。累积损伤的计算公式一般采用 p a l m g r e n m i n e r 公式，此时构件的使用寿命为 n = 风x b ( 1 - 7 - ) 式中风一名义应力时间历程的时间； b 一疲劳破坏块，占= l 佃； 其中d 一每载荷块的总损伤。 1 4 3 损伤容限设计 为了考虑材料初始缺陷和裂纹的影响，在断裂力学基础上提出了损伤容限 设计方法，其以断裂力学理论为基础，以无损检测技术、断裂韧性和疲劳裂纹 扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中 心，以断裂控制为保证，确保零件在使用期限内能够安全使用的一种疲劳设计 方法。这种疲劳设计方法使断裂力学和疲劳这两门学科结合起来。 断裂力学的基本假设就是承认构件有原始裂纹或裂纹缺陷存在，构件脆性 或疲劳破坏就是从这些缺陷处扩展或从原始裂纹缺陷经过缓慢扩展的结果。断 裂力学所研究的就是这些缺陷在载荷作用下发生脆断的特性和规律。损伤容限 设计，允许构件有初始缺陷，或在使用寿命中出现裂纹，但在下次检修前要保 持一定的剩余强度，能正常使用，直至下次检修时能够发现，予以修复或更换。 损伤容限设计就是用断裂力学中关于裂纹扩展的理论和方法来确定零件存在 缺陷或出现裂纹后，在循环载荷作用下，由初始裂纹尺寸扩展到临界尺寸的应 力循环次数( 称作裂纹扩展寿命或剩余寿命) 的设计方法，也根据已知的裂纹来 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 工、机械及海洋工程等领域得到广泛应用。 损伤容限设计法关于疲劳裂纹扩展寿命估算有以下方法： 1 等幅应力下的寿命估算 ( 1 ) 用帕里斯公式估算 = 肌一d a f 8 ) ( 2 ) 用佛曼公式估算 当应力比r 0 时，使用佛曼公式进行寿命估算比使用帕里斯公式更为方 便。 一d a ：c ( 必) m ( 1 - 9 ) d n 、7 将佛曼公式积分可得： 册2 ，3 时 = 面2 叫挫旷c f 叫1 。了一划一击 南一南 ) m = 2 时 = 历南 ( 必) c h 黯+ ( 塍) o _ ( 必) 。 ( 1 - 1 1 ) m = 3 时 = 击卜，c 志一南 扎黯 川 式中 必一应力强度因子范围，a k = k k = f a o , 历- a a ； c 、胁一材料常数； 一断裂韧性； r 一应力循环比。 2 变幅应力下寿命估算： 肚洲d 耵a ( 1 - 厶i 。f 、 ，i 式中 ( 豢) 。一第i 级载荷的扩展速率( r a m c ) ： 珏n 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 尺一载荷水平数； 甩i 一每个载荷块中第i 级载荷出现的次数。 1 4 4 结构疲劳可靠性设计 上面提到的疲劳设计方法都是按应力和疲劳强度的平均值进行设计的。而 实际上，应力和疲劳强度数据都有一定的分散性，因而，仅按平均值进行设计 是不安全的。必须根据以往的使用经验，合理引用较大的安全系数。由于安全 系数的选取纯粹是经验性的，没有反映问题的实质，因而难以做出合理的设计。 疲劳可靠性设计也称概率疲劳设计【6 2 】，是一种应用概率统计理论进行机械 零件疲劳设计的方法，是概率设计方法在疲劳设计中的应用。疲劳可靠性设计 由于考虑了工作应力疲劳强度的分布，能够给定可靠度指标，因而可以克服前 述各种疲劳设计方法的缺点，使设计出的产品既安全又重量轻【8 】。 载荷统计 和概率分布 应力分布 应力分布及 其概率分布 几何尺寸和其他 随机因素的分布 结构强度统计 分布及其可靠性 材料性能统计 和概率分布 强度分布 强度统计及 其概率分布 图1 4 疲劳可靠性设计法计算流程图 1 5 本论文研究内容 1 研究了有限单元法的基本知识，对有限元分析理论在起重机金属结构 分析方面的应用进行总结，并归结出约束方式对有限元分析结果的影响，采用 壳单元和实体单元两种单元对箱形主梁结构进行建模，并将计算结果进行对比 分析，最后分析了网格划分对计算结果所造成的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 利用有限元分析软件a n s y s 建立箱形主梁结构的有限元模型，进行 模型的静态应力分析，采用瞬态动力学分析方法得到结构的应力时间历程，结 合m a t l a b 产生的随机起重量生成典型载荷循环块，最后将有限元分析结果文 件导入n s o f t 软件当中，与材料的s 曲线和m i n e r 线性累计损伤准则相结合， 采用软件当中的f e f a t i g u e 模块对箱形主梁结构的疲劳寿命进行计算，得到箱 形主梁结构的疲劳寿命，进步分析箱形主梁大隔板与下盖板间隙对箱形主梁 结构疲劳寿命的影响。并进行了起重机箱形主梁的部分疲劳试验工作。 3 结合某集装箱门式起重机箱形主梁出现疲劳裂纹的案例，对该集装箱门 式起重机进行实地调研，测量出疲劳裂纹的数量和分布情况，运用本文理论计 算方法分别按照原始设计数据和小车轨道存在偏心距、同时上翼缘板板厚变薄 两种情况分别计算箱形主梁疲劳寿命。最后提出具体的修复措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章有限元法与n s o f t 疲劳分析软件 本章对有限元理论和所使用的n s o f t 疲劳分析软件的基本功能作简单的介 绍，说明疲劳理论在软件当中实现的基本方法和使用n s o f t 疲劳分析软件进行 箱形主梁疲劳寿命预测的具体步骤。 2 1 有限元法 2 1 1 有限元法的形成 在工程技术领域内，经常会遇到两类典型问题。其中第一类问题可以归结 为有限个已知单元体的组合。我们把这类问题，称为离散系统。第二类问题通 常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性 力学问题，热传导问题，电磁场问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常 是无限小的单元，这类问题称为连续系统。尽管已经建立了连续系统的基本方 程，由于边界条件的限制，通常只能得到少数简单问题的精确解答。对于许多 实际的工程问题，还无法给出精确的解答。为了解决这个困难，工程师们和数 学家们提出了许多近似方法。在寻找连续系统求解方法的过程中，工程师和数 学家从两个不同的路线得到了相同的结果，即有限元法。有限元法的形成可以 回顾到二十世纪5 0 年代，来源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对结 构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来看，桁架结构等标准离散系统与人 为地分割成有限个分区后的连续系统在结构上存在相似性。 2 1 2 有限元法的分析过程 概括起来有限元分析可以分为以下六个步骤： 1 结构的离散化 结构的离散化是有限单元法分析的第一步，它是有限单元法的基本概念。 所谓离散化简单的说，就是将分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体的 指定点设置节点，使相临单元的有关参数具有定的连续性，并构成一个单元 的集合体，以它代替原来的结构。 2 选择位移模式 在完成结构的离散化之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 能用节点位移表示单元体内的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须 对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函 数，这种函数称为位移模式或插值函数。选择适当的位移函数是有限单元法分 析中的关键。通常选择多项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算 ( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有光滑函数的局部，都可以用多项式逼 近，至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑单元的自由度和解的收敛性要 求，。一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包括常数项 和线性项等。单元的自由度是指单元节点独立位移的个数。根据选定的位移模 式，就可以导出用节点位移表示单元内任意一点位移的关系式，其矩阵形式是： 厂) = 】 万) 。 ( 2 1 ) 式中 f 厂l 一单元内任意一点的位移列阵； 万 8 一单元的节点位移列阵； 1 一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 3 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性分析，包括三部分内容： ( 1 ) 用几何方程，由位移表达式( 2 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关 系式： h = 【b 】8 ( 2 2 ) 式中 s l 一单元内任意一点的应变列阵； i 引一单元应变矩阵。 ( 2 ) 用本构方程，由应变的表达式( 2 - 2 ) 导出用节点位移表示单元应力 的关系式： h = d 】 g ) = 【d 】 b ) 。 ( 2 - 3 ) 式中 仃 一单元内任意一点的应力列阵； l q 一与单元材料有关的弹性矩阵。 ( 3 ) 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系 式，即单元的平衡方程： 8 = 时 研8 ( 2 4 ) 时= j 6 f 】r b 】出撇 ( 2 - 5 ) 式中 j j 1 。一单元刚度矩阵； f r 一等效节点力。 在以上两式中导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 ( 4 ) 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。这个集合过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 程包括两方面的内容：一是各个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整体刚度 矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵，集合成总的载荷列阵。最常用 的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的理由是要求所 有相临的单元在公共节点处的位移相等。于是得到以整体刚度矩阵k 1 、载荷 列阵【f 】以及整个物体的节点位移列阵【万】表示的整个结构的平衡方程： 【k p 】【f 】 ( 2 6 ) 这些方程还应考虑几何边界条件，作适当的修改之后，才能够解出所有的 未知节点位移。 ( 5 ) 求解未知节点位移 由集合起来的平衡方程组( 2 - 6 ) 解出未知位移。在线性平衡问题中，可 以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。 ( 6 ) 计算单元应力 最后，就可利用公式( 2 - 3 ) 和已求得的节点位移计算各单元的应力，并 加以整理得出所要求的结果。 2 1 3 有限元法的软件实现 从二十世纪6 0 年代中期以来，国内外对有限元法进行了大量的理论研究， 不断拓展其应用领域。其中，理论研究的一个重要领域是计算方法的研究，主 要有：大型线性方程组的解法，非线性问题的解法和动力问题计算方法。同时， 一些专业软件公司还开发了许多通用或专用的有限元分析软件如本文所使用 的a n s y s 。从有限元软件的角度来讲，有限元法实施过程包括：前处理一计 算一后处理。前处理是对计算对象进行网格划分、形成计算模型的过程，包括 单元类型的选择、材料特性的确定、实体建模、节点单元网格的确定和约束载 荷的移置等。一些通用的有限元软件大都已经将常用的各种材料及其物理参数 存储到其数据库中，供用户选择；许多有限元软件不仅提供了与主流c a d 系 统的接口，自己本身也又很好的实体建模功能；有限元软件都提供了一种以上 的网格划分方法，以供使用者根据计算要求进行选择，从软件的角度看，这是 分析中最重要的环节。 计算则是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到 节点位移的过程。从有限元法理论角度，这是有限元分析的核心，但由于软件 已经针对多种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括 收敛的方法( 在软件中，这常被称为求解器) 等，即可得到计算结果。 后处理则是对计算结果( 应力、应变或振型等) 的整理，形成等应力线、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 变形图、振型图等，以及结果的输出。 2 2n s o f t 有限元疲劳分析软件 n s o f l 是专门为工程系统的疲劳问题而设计开发的疲劳分析系统，可用于 解决数据采集、疲劳设计分析以及实验室疲劳模拟等问题。n s o f l 的功能覆盖 了数据采集、疲劳分析、有限元分析及实验室模拟等工程抗疲劳分析的4 个主 要领域。n s o f l 软件主要包括核心模块、常规疲劳分析模块、实验室用数据分 析模块、项目相关模块及数据采集模块等5 大模块，目前较为常用的是疲劳分 析模块。 1 核心模块n s o f t e ( 1 ) 基本功能 作为n s o f t 软件核心平台的n s o f t e 主要功能有： 1 ) 数据接口作为一个数据采集后处理系统，n s o f l e 提供了多种数据接 口。d a c 文件是专门为n s o f l 系统设计的单参数二进制数据文件，n s o f l 各个 模块间的数据传递主要通过这一文件，从n c o d e 数据采集器获得的信号也是 d a c 文件。通过文件格式转换器，n s o f l e 接受a s ci i 码文件和其它单参数文 件，以提供与其他数据采集系统或实验室模拟控制信号的接口。n s o f l 也含有 各种典型的波型发生器、单通道和多通道交互信号编辑器以及强大的运算功 能，可方便地用来编制载荷谱。 2 ) 数据显示n s o f l e 能在计算机屏幕上快速显示任何单参数信号文件及 其基本统计值，也能在屏幕上进行多文件独立、重叠或交叉显示，通道数最多 可达3 2 个。其他可显示的图形有二维或三维雨流和m a r k o v 矩阵图、等高线图 及时间片频率分布瀑布图等。用户能用报告绘图工具自己定义复杂的图形显 示。 3 ) 数据处理n s o f t e 中的图形或表格编