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机械结构裂纹诊断的数值分析方法与应用研究

孙远韬  
【摘要】: 近年来,随着社会发展和科技进步,为满足生产发展的需要,机械设备正在向重型、高速、自动化方向发展,其金属结构的承载能力对生产安全的影响也愈来愈大。裂纹作为影响金属结构安全的主要隐患,长期以来一直是人们关注和研究的热点,因而对机械结构裂纹诊断方法的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以断裂力学理论为依据,通过有限元方法及其二次开发技术、声发射检测、无网格方法等技术对机械结构裂纹诊断方法及其应用进行了研究,完成了如下工作: (1)应力强度因子在断裂力学中是重要的参数,本文同时使用有限元和无网格方法对其进行了分析计算。由于无网格方法是以节点位移为基础求取应力强度因子的,本文提出了一种权函数自变量方程结合位移外推法来处理裂纹不连续线,从而较精确地求出裂纹尖端的应力强度因子,并且避免了目前处理方法中节点和计算点重合时所发生的数值溢出现象,从而为无网格方法应用于裂纹诊断提供一条新的途径。通过把有限元模型的计算结果与无网格方法所得的结果进行对比分析,说明两种方法的计算结果是合理的。 (2)目前裂纹结构的剩余寿命预测往往是根据经验选取若干工况对Ⅰ型裂纹的剩余寿命进行分析的结果,理论上会给裂纹结构剩余寿命的预测带来误差。本文提出了移动载荷下的复合型裂纹结构剩余寿命预测方法,即在复合型裂纹扩展路径有限元仿真的基础上,利用Paris公式研究载荷变化过程中裂纹结构剩余寿命的变化规律,得到载荷位置—裂纹剩余寿命关系曲线,通过分析载荷位置对裂纹剩余寿命的影响可使裂纹诊断结果更直观,更符合工程实际。并通过裂纹试件的声发射实验,得到了裂纹处的声发射定位次数特征,从实验的角度验证了由上述预测方法所得的载荷位置变化对裂纹扩展速率的影响规律。 (3)在裂纹扩展有限元分析模型中,结构整体相对其内部裂纹的几何尺寸差异悬殊,而分析裂纹扩展的动态过程中需不断地修改模型,其难度大,效率低,易出错,本文提出了参数化的子模型分析方法,利用Ansys中的APDL技术建立了参数化的动态修改模块,实现了整体结构的粗糙模型和裂纹结构的子模型分析数据文件的动态关联,提高了模型重建与分析的效率,并以龙门起重机裂纹为例验证了该方法的可行性。 (4)基于上述研究成果,针对结构中裂纹部位的随机性和形状的复杂性给工程裂纹诊断所造成的难度,研制了复合型裂纹诊断模块,用户可利用原结构件有限元模型通过菜单引导输入裂纹的位置、长度等参数,模块便能自动修改并生成含裂纹缺陷的有限元模型并完成结构件的剩余寿命分析,并实例验证了该模块的有效性,为工程裂纹诊断提供了有效的工具。


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