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基于有限元和断裂力学的桥式起重机结构疲劳寿命研究

权秀敏  
【摘要】: 目前,在我国大中型冶金企业中,为了方便地进行物料的起重、搬运和装卸工作,采用了大量的起重机,其中包含众多桥式起重机。近年来,随着国民经济的高速发展,钢铁产量不断提高,起重机的工作也日趋繁重;随之,一些冶金企业的重大设备频频发生各种事故,这些事故中,最常见的也是最严重的是以裂纹为特征的起重机金属结构的疲劳破坏。所以,研究裂纹故障的发生原因及其扩展情况,是当前广大工程技术人员十分关注的问题。起重机金属结构的强度计算及疲劳分析是十分复杂的问题。本文提出了一种采用有限元疲劳分析软件MSC.FATIGUE来对桥式起重机进行疲劳寿命估算的方法。该方法可以对现行在役无缺陷和有缺陷的桥式起重机进行剩余寿命评估,确定裂纹产生的原因,估算剩余寿命,以便及时提出拯救措施,防止或减少灾难性结构破坏事故的发生。该方法考虑载荷连续变化的影响,实现了疲劳分析过程的自动化、集成化,减少数据的传递量和减少用户计算过程引起的错误。本文以武钢二硅钢厂75#(16t×19m)旋转吊钩桥式起重机为研究对象,对有较长裂纹侧即导电侧主梁进行了有限元和断裂力学方面的深入分析研究,进行了系统的安全性诊断评估。本文主要进行了以下研究工作: 首先,提出了对桥式起重机结构进行有限元建模的简化原则和具体处理方法,找出利用MSC.PATRAN高效建立有限元模型的方法与过程,对桥式起重机主梁进行了有限元建模,并用MSC.NASTRAN软件计算了各工况下结构的静应力值,验证其是否满足静强度和刚度要求,并为后面进行疲劳寿命估算提供几何条件。 然后,新建材料的性能数据库,采用厂方提供的现场数据编制适合该起重机的载荷谱块,结合静力分析结果,应用MSC.FATIGUE软件中的全寿命分析模块分析桥式起重机主梁的理想的设计寿命。通过分析,得出制造质量良好的主梁在近似实际情况下整体结构的疲劳寿命分布云图,直观显示出金属结构各个部分的疲劳寿命,使设计人员能全面了解主梁不同部位疲劳寿命的分布,为快速比较不同设计方案、疲劳性能的优劣或改进设计提供较直观、全面的依据。另外,由此疲劳寿命分析确定裂纹不是设计原因造成的,根据现场探伤情况和设计寿命情况确定裂纹主要由制造缺陷引发,由交变应力致使。 最后,修改主梁有限元模型,把原始制造缺陷加到模型上,再进行静力分析。用MSC.FATIGUE软件中的裂纹扩展模块对起重机主梁进行疲劳寿命分析,分析主梁剩余寿命,发现该起重机不及时维修会造成很大的危险,并及时提出合理的修复处理方案。理论分析与实际情况比较发现吻合的较好,从而证明该方法的可行性,该方法为桥式起重机的安全运行提供了较可靠的理论依据。


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