基于裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命預(yù)測及在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.pdf

1、起重機(jī)作為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的重要設(shè)備而廣泛使用，在工廠車間、施工工地、港口、貨場等頻繁的工況載荷下，疲勞導(dǎo)致起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效問題逐漸突顯。隨著起重機(jī)向著大型化、輕柔化的方向發(fā)展，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的使用也更為廣泛。實(shí)驗(yàn)研究表明高強(qiáng)度鋼的屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力相對普通結(jié)構(gòu)鋼有大幅度的提高，而載荷多變帶來疲勞對起重機(jī)結(jié)構(gòu)造成的影響大為加劇，人們在關(guān)注結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的同時(shí)，對疲勞性能的研究卻相對較少。為保證起重機(jī)可靠的工作，不僅需要對強(qiáng)

2、度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，還需要對起重機(jī)的疲勞損傷分析和剩余壽命進(jìn)行分析預(yù)測。本文以起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞為研究對象，基于擴(kuò)展有限元理論給出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解方法，研究影響裂紋擴(kuò)展速率的因素，探討起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測中需要明確的要素，得出相應(yīng)的求解方法和策略，并對起重機(jī)典型疲勞結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展路徑模擬和考慮載荷次序用功率譜函數(shù)進(jìn)行起重機(jī)疲勞壽命預(yù)測。
　　應(yīng)力強(qiáng)度因子是基于斷裂力學(xué)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測的重要參量之一，常規(guī)有限元法

3、通過在裂紋尖端布置裂尖奇異單元，即四分之一節(jié)點(diǎn)單元而得到相應(yīng)的數(shù)值解。但是隨著裂紋的擴(kuò)展，常規(guī)有限元方法的網(wǎng)格必須隨著裂紋邊界的變化重新進(jìn)行劃分，且裂紋的擴(kuò)展必須沿著網(wǎng)格邊界，使得常規(guī)有限元在處理裂紋等不連續(xù)問題時(shí)顯得低效。擴(kuò)展有限元法通過添加額外的節(jié)點(diǎn)自由度，網(wǎng)格劃分不隨邊界的變化，可以很好的處理不連續(xù)的問題。本文提出改進(jìn)的水平集方法對裂紋界面進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，結(jié)合擴(kuò)展有限元法對裂紋尖端的應(yīng)力位移場進(jìn)行數(shù)值求解，并用M積分對復(fù)合型裂紋進(jìn)

4、行解耦。雖然擴(kuò)展有限元法在Abaqus中進(jìn)行了集成，但采用的補(bǔ)充函數(shù)等仍然存在一些不足，本文編寫擴(kuò)展有限元程序?qū)α鸭y結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并求取裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。
　　為對起重機(jī)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，須先建立疲勞裂紋擴(kuò)展速率的模型。經(jīng)典裂紋擴(kuò)展速率 Paris公式中的參數(shù)在不同應(yīng)力比工況下需用大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行求取，為此本文提出一種新的考慮應(yīng)力比影響裂紋擴(kuò)展速率的模型，針對起重機(jī)中最常用的各種材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，鑒于起重機(jī)

5、頻繁起制動(dòng)造成反復(fù)沖擊載荷的惡劣工作環(huán)境，本文研究沖擊過載對裂紋擴(kuò)展速率的影響，并用Wheeler模型描述起重機(jī)常用材料受單一超載的影響，給出相應(yīng)的Wheeler模型參數(shù)，供起重機(jī)行業(yè)壽命預(yù)測使用。針對Paris公式存在的不完全相似性和不規(guī)則量綱的現(xiàn)象，基于Paris和Head公式建立一種指數(shù)形式的疲勞裂紋擴(kuò)展模型，此模型可以退化為Paris和Head模型，以此模型進(jìn)行壽命預(yù)測并將之與已有文獻(xiàn)介紹的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，較好地驗(yàn)證本模型的有

6、效性。
　　針對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測，分析壽命預(yù)測計(jì)算時(shí)所需的各要素。初始裂紋是對壽命預(yù)測影響的關(guān)鍵因素，起重機(jī)行業(yè)尚未有一種統(tǒng)一的計(jì)算初始裂紋尺寸方法，本文結(jié)合Kitagawa-Takahashi圖和裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值，給出一種簡潔的、與載荷歷程無關(guān)的、適用于起重機(jī)的等效初始缺陷尺寸及其分布的計(jì)算方法。由于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子往往無法用表達(dá)式表示，而且裂紋擴(kuò)展速率通常是高次函數(shù)，進(jìn)行壽命積分時(shí)為保證精度需減少積分步長，運(yùn)用常

7、規(guī)的插值或者擬合得到被積函數(shù)值進(jìn)行數(shù)值積分時(shí)需進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，為此本文引進(jìn)Kriging代理模型，對疲勞裂紋擴(kuò)展壽命進(jìn)行預(yù)測，并給出基于Kriging代理模型的自適應(yīng)步長算法，對起重機(jī)常用材料 Q235B和Q345B進(jìn)行裂紋擴(kuò)展的算例驗(yàn)證。基于裂紋擴(kuò)展時(shí)擴(kuò)展有限元算法中的剛度陣只有新裂紋一小部分需要更新，給出一種基于Cholesky矩陣分解的直接修改三角陣的重分析算法，并用計(jì)算效率驗(yàn)證算法的高效性。
　　起重機(jī)疲勞失效集中在各