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铸造起重机的疲劳寿命理论与仿真分析

张永才  
【摘要】:起重机设备作为现代物料搬运的特种设备之一,推动着国民经济的发展,在工厂车间、货运码头、轨道交通以及建筑行业等被广泛使用。铸造起重机作为冶金锻造行业的特殊起重机,主梁结构作为主要承载结构件,其使用寿命决定了铸造起重机整机的使用寿命。随着铸造起重机的高速化、重载化、频繁化,主梁结构在满足强度、刚度、稳定性的同时,其疲劳特性更应得到重点关注。铸造起重机长期承受变幅载荷的作用,疲劳断裂为破坏的主要形式。本文以100/40t-28.5m四梁偏轨铸造起重机为研究对象,进行如下研究:(1)运用金属结构理论对铸造起重机进行静强度理论计算,在确保静强度满足要求的条件下,确定主梁结构危险截面上的危险点。通过分析调研铸造起重机的工作流程,借助MATLAB模拟起升小车在主梁结构上运行过程,确定危险点的应力-时间历程,经雨流计数法统计计数得出对应危险点的应力谱。(2)提出铸造起重机金属结构裂纹扩展及疲劳寿命预测方法,并建立相应的数学模型。根据无损检测技术将铸造起重机探测结果分为:有裂纹情况和无裂纹情况。对于有裂纹情况,应用断裂力学结合等效应力法分析裂纹扩展,建立基于裂纹扩展的铸造起重机金属结构疲劳剩余寿命预测模型;对于无裂纹情况,以名义应力和损伤累计理论为基础,结合平均应力修正方法,建立包含应力均值、应力幅值的双参数应力寿命曲面模型。(3)疲劳寿命有限元仿真分析:对铸造起重机进行简化处理,建立其有限元分析模型,进行有限元静力学分析。在此基础上,以有限元软件Msc.Patran中疲劳分析模块Msc.Fatigue为基础,利用Growth法疲劳分析裂纹扩展过程及其疲劳剩余寿命,结合应力疲劳分析法(S-N曲线法),探讨铸造起重机金属结构的全寿命。将仿真结果与理论计算结果进行对比,分析其相对误差的范围,确定有限元仿真结果的可靠性,为铸造起重机设计、寿命评估提供理论和有限元分析技术支持。


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