（机械电子工程专业论文）基于mscpatran的抓斗卸船机的结构疲劳性能研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 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，其中包含众多港口起重机。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。与此同时，冶金企业中的起重机不断出现各种 各样的事故，这些事故中，最常见也是最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机金属结构故 障。所以，研究裂纹故障的发生原因及其扩展趋势，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十分复杂，在目前已有的各种分析方法中， 基于有限元理论的方法迄今被认为较为合理和有效。 本文以马鞍山钢铁股份有限公司港务原料厂的一台港口抓斗卸船机为研究对象，以 m s c p a t r a n 为建模工具，对其整体结构进行了有限元分析，对其中重要构件主梁结构进行 了疲劳寿命方面的深入分析研究，对支腿开裂部位进行了疲劳裂纹扩展研究。本文进行了 结构的诊断评估，给出了相应的整改方案。 首先，本文论述了开展起重机金属结构研究的重要性，特别是对疲劳的研究，提出了 本课题的研究内容，并阐述了研究的意义。接着对本文主要使用的有限元软件m s c p a t r a n 、 n a s t r a n 以及疲劳有限元分析软件m s c f a t i g u e 进行了简单介绍。 然后，本文对该抓斗卸船机的整机结构和主梁用m s c p a t r a a 和m s c n a s t r a n 进行了有 限元建模和计算，在建立模型的过程中，重点考虑了多点约束的问题。通过计算，得出下 列结论：该卸船机的静强度、刚度虽满足要求，但后大梁悬臂根部截面的计算应力已接近 许用应力，悬臂端部下挠偏大，并致使后大梁中部上拱偏大，影响小车正常行驶，结构设 计存在明显缺陷。经过分析研究，提出了整改方案，并对整改后的结构再次进行了有限元 计算，结果表明本文提出的整改措施有效地降低了悬臂根部应力和跨中上拱度，此整改方 案是成功的。 本文在介绍了疲劳有限元技术的基础上，针对目前工程当中对于起重机金属结构疲劳 研究的现状，利用有限元疲劳分析软件m s c f a t i g u e 对该卸船机主梁结构进行了指定载荷 历程下的疲劳分析。通过分析，得出该卸船机主梁的疲劳寿命分布云图，直观显示出主梁 结构各个部分的疲劳寿命，从而为卸船机结构设计的评价和改进以及疲劳研究提供了直观 的理论依据。本文对卸船机出现裂纹的支腿建立了子模型，分析了结构的疲劳寿命，找到 出现裂纹的原因，并进一步进行了裂纹扩展分析；理论计算结果和实际情况吻合较好，本 文的方法具有重要的工程实际意义。 最后，本文还对本课题的理论成果和实践意义进行了总结，提出了今后研究的方向， 指出综合运用疲劳分析的有限元方法，对起重机金属结构进行疲劳分析才是全面和完整 的，这应该成为未来起重机疲劳研究的发展方向之一。 关键词：有限元；抓斗卸船机；疲劳；裂纹扩展 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，i no u rc o u n t r y s ，b i ga n dm e d i u m - s i z e dm e t a l l u r g yc o m p a n i e s ，i no r d e rt o e x p e d i e n t l yr i s e 、m o v ea n du n l o a dt h ew o r k s ，w ea d o p tal o to fc r a n e s a m o n gt h e mi n c l u d e sa l o to fp o r tc r a n e s i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h eh i g h l yd e v e l o p e de c o n o m yo fo u rc o u n t r y ，t h e p r o d u c t i o no fs t e e lr i s e si n c r e a s i n g l y , t h el o a dw o r k so fc r a n e sh a v ee n l a r g e dg r e a t l y a tt h e s a m et i m e ，t h e r ea p p e a ra l lk i n d so fm e t a lp r o b l e m s a m o n gt h e s ep r o b l e m st h em o s tc o m m o n a n da l s ot h em o s ts e r i o u si st h et r o u b l ei nc r a n em e t a ls t r u c t u r e sw h i c hm o s t l ya r et r o u b l e so f f a t i g u ec r a c k h e n c e ，r e s e a r c h i n gt h er e a s o n $ t h a tc r a c kh a p p e n e da n dt h et e n d e n c yo ft h e c r a c k se x p a n d i n gi st h ep r o b l e mt h a tm o s te n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sa r ef u l l yc o n c e r n e dw i t h t h ec r a n e sm e t a ls t r u c t u r ei n t e n s i t yc a l c u l a t i o n 痢f a t i g u ea n a l y s i si sf u l l yc o m p l e x ，a m o n g e x i s t i n gd i f f e r e n ta n a l y s i sm e a n s ，t h em e a n sb a s e do nt h ef e m i sr e g a r d e da st h ec o m p a r a t i v e l y c o n s u m m a t eo n e n l i sp a p e rt a k e so n e t r a n s p o r t e rg r a bs h i pu n l o a d e ri nm i s c 0a st h er e s e a r c ho b j e c t t a k e s ar e s e a r c ho nt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ef e mb ym s c p a t r a n , a n df a t i g u el o n g e v i t yo fi t s i m p o r t a n tc o m p o n e n t , m a i nb e a m r e s e a r c h e so ft h ef a t i g u ec r a c kg r o w t ho fi t ss u p p o r tl e g p r o c e s s e st h es t r u c t u r e s d i a g n o s ev a l u a t i o na n dt h e ng i v er e p a i rs u g g e s t i o n f i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p o r t a n c eo fp r e c e d i n gt h er e s e a r c ho nt h eg r a bs h i p u n l o a d e r sm e t a ls t r u c t u r e sa n de s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho nt h ef a t i g u el o n g e v i t y i ta l s op u t st h e m a i nc o n t e n to ft h ep r o b l e ma n de l a b o r a t e si t ss i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h e nt h i s p a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r y ：t h ef r a c t u r em e c h a n i c sa n ds o f t w a r es u c h 私p a t r a n 、n a s t r a na n d f a t i g u er e s e a r c hs o 胁a r e m s c f a t i g u e s e c o n d , t h i sp a p e rg i v e st h ef i n i t em o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o nt ot h eg r a bs h i pu n l o a d e r s s t r u c t u r eb ym s c p a t r a na n dm s c n a s t r a n i nt h ep r o c e s s e so fm a k i n gm o d e l i n g ，w et a k em o r e a t t e n t i o nt ot h em u l t i - p o i n tc o n s t r a i n t b yt h ec a l c u l a t i o n , w em a k es u c hc o n c l u s i o nt h a tt h eq u i e t i n t e n s i t ya n dr i g i d i t ym e e tt h ed e m a n d s ；c a l c u l a t i n gs t r e s so ft h eb a c kc a n t i l e v e rr o o to fb e a m a p p r o a c h e st h ea l l o w i n gs t r e s s t h e r ei sb i gd e f l e c t i o nw h i c hc a u s e sb i gc a m b e ra tt h em i d d l eo f b e a m t h i sh a si n f l u e n c e dt h ec a r sn o r m a lm o v e m e n t a p p a r e n t l y , i t sad e s i g nb u g a f t e rs t u d y ， w e p u tf o r w a r ds o m es c h e m e so f t h em o d i f i c a t i o n t h e nw eu s et h ef e as o f t w a r et oa n a l y z et h e s t r u c t u r e a g a i n ，r e s u l tp r o v e st h a tt h em o d i f i c a t i o ns c h e m e sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a n e f f e c t i v e l yc u td o w nt h es t r e s sa n dd e f l e c t i o no ft h ec a n t i l e v e rr o o t p r e v e n tt h ei n c i d e n c eo f s t r u c t u r e sr u p t u r ea c c i d e n t t h i ss c h e m eo f m o d i f i c a t i o ni ss u c c e s s f u l o nt h eb a s e so fi n t r o d u c i n gt h et e c h n o l o g yo nf a t i g u ef e a ，i nv i e wo ft h ep r e s e n t c o n d i t i o n si nt h ec e n t r eo ft h ep r o j e c ta st ot h eu n l o a d e rm e t a ls t r u c t u r e sf a t i g u er e s e a r c h ，t h i s p a p e rm a k e su s eo ft h es o f t w a r em s c f a t i g u et op r o c e e dt h ef a t i g u ea n a l y s i so nt h i sm a i nb e a m s t r u c t u r eu n d e rc e r t a i nl o a d s ，b yt h ea n a l y s i s ，w ec a ng e tt h ec l o u d yp i c t u r e so ft h ef a t i g u el i f e d i s t r i b u t i o n ，a n dc a nc l e a r l ys e ee v e r yp a r t sf a t i g u el i f e t h e r e f o r et h i sa n a l y s i sc a l ls u p p l yt h e o r y b a s i sf o rg r a bs h i pu n l o a d e r sd e s i g na n di m p r o v e m e n ta n df a t i g u er e s e a r c h b u i l das u b m o d e l o ft h eg r a bs h i pu n l o a d e r sl e gw h e r eac r a c ka tt h ew e l da p p e a r s ，a n a l y s et h es t r u c t u r e sf a t i g u e l i f ea n df i n dt h er e a s o n sf o rt h eo c c u l r e n c eo fc r a c k sa n df o rt h ef i l r t h e r a n a l y s i so fc r a c k 武汉科技大学硕士学位论文第m 页 g r o w t h t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ha c t u a ls i t u a t i o n t h i sp a p e rh a s i m p o r t a n te n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u e a tt h ee n do ft h i sp a p e r s o m ec o n c l u s i o n so nt h i ss u b j e c t sp r a c t i c a la n da c a d e m i c s i g n f i c a n c ea r ep r e s e n t e d ，t h i sp a p e ra l s os u b m i t st h er e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef u t u r e ，p o i n to u t t h a tu t i l i z i n gt h ef a t i g u ea n a l y s i s sf e ma n dt h ef r a c t u r em e c h a n i c ss y n t h e t i c a l l yt ot h ec r a n e s m e t a ls t r u c t u r ef a t i g u ea n a l y s i si sc o m p l e t ea n d i n t e g r a t e d ，t h i ss h o u l db e c o m eo n eo ft h ef a t i g u e r e s e a r c ho r i e n t a t i o nf o rt h ef u t u r ec r a n e s k e yw o r d s ：f e m ；g r a bs h i pu n l o a d e r ；f a t i g u e ；c r a c kg r o w t h 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 控墨车日期： 业目2 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 拖杰辱薹 指导教师签名： 蕴叠皇 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题来源和研究的意义 2 0 世纪以来，由于现代工业的高速发展，物料搬运工作也日趋繁重，使得起重运输机 械成为厂矿企业维持正常生产不可缺少的重要设备。许多起重设备价格昂贵，安装、调试 时间长，使用维护成本高，管理复杂，这些设备的更新报废使用时间至今没有标准。企业 中现有的起重设备大多已服役多年，它们的使用寿命或极限状态的预测，是企业非常关心 和迫切需要解决的问题。因此，科学准确地评估预测重要起重设备的寿命，实施设备的科 学管理，选择设备的最佳更新时间等，对于提高企业的装卸效率、保证企业的安全生产、 降低成本、提高经济效益等，都有十分重要的意义。 本论文课题来源于马鞍山钢铁公司港务原料厂，研究对象为额定起重量为1 6 t 的抓斗卸 船机，这种卸船机的特点是装卸效率高，工作强度大，起制动频繁，属于a 6 重级工作级别， 它的结构计算是设计工作中的难点和重点，这种复杂的超静定空间刚架用人工计算非常烦 琐且不准确，精确计算必须借助有限元技术。 本课题将有限元技术应用于抓斗卸船机金属结构的分析与寿命估算中，使用m s c 系 列软件，通过在真实环境下分析卸船机结构的强度、刚度和主梁结构的疲劳寿命分布情况， 从而对结构进行分析、评价和改进；通过对已经出现裂纹的地方进行分析，估算剩余寿命， 预告故障，避免重大事故的发生和巨大的经济损失。 本课题的意义在于：以现代有限元理论为基础，以先进的有限元前后处理及分析仿真 系统软件m s c p a t r a n 为工具，对卸船机的整机结构状况做出评价，分析其在实际工作 环境下的寿命，解释结构开裂原因，将主梁的疲劳寿命分布直观地呈现在人们面前，让设 计方更精确、更方便地评估和改进卸船机的设计方案；将理论与实际紧密地结合起来，优 化结构，改善性能；同时，让使用方清楚地了解设备工作情况，有利于他们在卸船机服役 期间采取更有针对性的操作和维修方式，保证设备正常运行，延长设备使用寿命。 1 2 国内外研究现状分析 对各种机械破坏事故的统计表明，疲劳破坏( 包含腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接 触疲劳和微动腐蚀疲劳等特种疲劳在内) 常常占首位，约5 0 9 0 【1 】。三类机械和结构 对于疲劳破坏比较敏感：运输机械；焊接构件，尤其是大型焊接构件，包括船舰、近 海钻井平台、压力容器、吊车和桥梁等；动力机械。疲劳破坏事故的大量出现与高速机 械和大型焊接结构的广泛使用密切相关。在工程结构的失效分析中，疲劳可靠性分析是亟 待解决的复杂问题，涉及到材料性能、构件的几何形状、载荷历史和环境等多方面的因素。 焊缝作为结构强度的薄弱部位，其疲劳强度研究早已受到人们的重视【2 j 【3 】。长期以来工业发 达国家投入大量人力、物力致力于这方面的研究工作，取得的成果是浩瀚的。在大量材料和 结构性能研究成果的基础上，许多国家制定了各自的设计规范，例如e c c s ( e u r o p e a n c o n v e n t i o nf o rc o n s t r u c t i o n a ls t e e l w o r k s ) 规范。 1 8 4 7 年，德国人a 沃勒用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统的研究，提出s 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 _ n 疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念，奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。常规的经典 疲劳强度理论名义应力法及局部应力应变分析法，仍然是目前工程应用最广泛的一种 抗疲劳设计方法。1 9 世纪末到2 0 世纪初，人们利用金相显微镜观察金属微观结构，发现 了破坏的过程可分为3 个阶段：( 1 ) 疲劳裂纹的形成；( 2 ) 疲劳裂纹的扩展；( 3 ) 瞬时断裂。 因此，疲劳寿命主要由疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命组成。1 9 2 0 年英国人格里菲 思( g r i f f i t h ) 发表了他用玻璃对脆性断裂所做理论计算和试验的结果，就裂纹的重要性作 了经典性的首创研究，提出了裂纹扩展的能量理论1 4 1 。在1 9 2 9 年到1 9 3 0 年间，h a i 曲就存 在缺口时高强度钢与低碳钢对疲劳的影响不同作出了合理解释【5 】。到2 0 世纪5 0 年代，诞 生了建立在裂纹尖端应力场强度理论基础上的断裂力学。1 9 6 3 年p c p a d s 用断裂力学 的方法给出了表达裂纹扩展规律的著名关系式- p a d s 公式【6 】，为疲劳寿命的研究提供了估 算裂纹扩展寿命的新方法，发展了“损伤容限设计”，并成为2 0 世纪疲劳强度设计的发 展方向。1 9 6 3 年，r a b o t h n o v 提出损伤因子的概念。1 9 7 7 年j a n s o n 等人提出损伤力学【7 】。 损伤力学主要研究宏观可见缺陷或裂纹出现之前的力学过程，即裂纹萌生过程，通过定义 损伤变量研究损伤演化规律来预测疲劳寿命。 一直以来，焊接钢结构的疲劳设计是用结构疲劳验算点的最大应力om a x 校核疲劳强 度的，并认为最大应力om a x 和应力循环特征系数是决定结构疲劳的主要参数。国际上现 行的各国起重机设计规范，如中国的g b 3 8 1 1 - - - 8 3 ，德国的d i n l 5 0 1 8 ，日本的j i s b 8 8 2 卜 1 9 7 6 等，就是采用这种方法【8 】。1 9 6 6 年至1 9 7 4 年，美国国家公路和运输联合会对“带有 焊接盘板和附件的钢梁疲劳强度 ，进行了5 3 1 根焊接工字梁的疲劳试验研究，提出了以 应力幅作为变量描述焊接构件疲劳强度的观点【9 】。试验表明：非焊接件用最大应力om a x 考虑疲劳是可行的，对焊接构件则与实际相差很大。这一成果大大改变了人们对焊接钢结 构疲劳设计的看法，试验结果被美国起重机制造商协会制定的电动桥式起重机规范 ( c m a a ) 所引用【l o j 【l l 】。 近年来，随着疲劳理论研究的进步和计算机软硬件技术的迅猛发展，在发达国家，产 品的强度设计由原来的主要依据静强度指标和无限寿命设计发展到有限寿命设计，大大提 高了产品的使用可靠性，并且降低了产品的生产成本。此外，疲劳试验也从最大应力法发展 到应力幅法，即以应力幅作为疲劳的主要影响因素；金属结构的疲劳设计己从许用应力法发 展到半概率法及概率设计方法。以半概率法直至概率法分析起重机钢结构疲劳强度是当前 的最新观点和发展趋判1 2 】。 近年来，法国学者j a n o s c h 等人提出了用焊缝附近局部区域的力学参量来控制疲劳强 度的局部法【”】，这种方法由于考虑了焊接结构、焊缝局部、焊缝细节等因素对疲劳强度的 影响，并且根据疲劳断裂机制建立结构疲劳失效准则，可以大量减少疲劳试验，因此引起了 国内外有关学者的高度重视。t a y l o r 等人以缺口附近一定面积内的平均应力为控制疲劳行 为的参数，提出了缺口试件疲劳强度预测的面积法【1 4 】，并将这种方法推广到消除残余应力的 焊接结构疲劳强度预测中。 在国内，北京起重运输机械研究所、大连起重机厂等单位，在上世纪8 0 年代中期对 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 起重机主梁进行了常应力幅下的疲劳试验研究，得到了一些重要结论；同一时期，武汉钢 铁学院在国内率先开展了桥式起重机金属结构随机疲劳强度的研究，在对实测数据进行统 计分析的基础上编制了桥式起重机的第一个结构随机疲劳载荷谱【l 习；太原重型机械学院于 上世纪9 0 年代初期，应用应力幅法对1 6 根焊接箱形梁进行了疲劳试验研究，初步了解了 焊接箱形梁疲劳破坏的分布规律，明确了试验步骤和方法，积累了经验 1 6 f l l m ；此外，太 原重型机器厂还对冶金铸造起重机的主梁进行了疲劳强度和寿命的试验研究【l 引。 自上世纪5 0 年代超声疲劳出现以来，经过多年的发展，超声疲劳实验可以在不同载 荷特征、不同环境和温度等条件下进行，为疲劳研究提供了很好的手段。自2 0 0 0 年以来， 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室采用超声疲劳方法进行了大量的超高 周疲劳研究工作，取得一定的进展，包括超高周疲劳的特征、理论模型和影响因素等【2 0 】。 目前，我国起重机金属结构的设计基本上仍然停留在经验设计和静强度设计阶段，主 梁的疲劳设计仍使用应力比法和常规的无限寿命设计准则对主梁上可能的几个危险 点或危险截面使用材料力学公式进行疲劳强度校核，以计算所得的安全系数不小于许用的 安全系数作为疲劳强度的判据，使结构达到无限设计寿命。这种设计方法一方面造成起重 机金属结构静强度储备偏高，自重加大，限制了起重机向大吨位、大跨度、大高度和高速 度方向发展【2 1 1 ；另一方面，材料在传统疲劳极限以下仍然发生疲劳断裂的事实，使得该准 则的使用受到怀疑。这说明使用常规的疲劳设计方法在起重机的疲劳设计和寿命估算方面 都存在不足，需要加以改进。 随着计算机软件技术的发展，有限元法、可靠性方法、优化设计、动态仿真设计等现 代设计理论已经在起重机金属结构的疲劳分析方面得到了深入的研究和应用，取得了令人 满意的效果。根据有限元获得的应力应变结果进行进一步的疲劳寿命设计已经在一些重要 的工业领域( 如飞行器、汽车、铁路、桥梁、船舶等行业) 开始得到应用。因为，与基于试 验的传统方法相比，有限元疲劳计算能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图，可以在设计 阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，可以预先避免不合理的寿命分布，从而减小技术创 新的风险，降低开发成本，提高设计质量和效率。 近年来由于焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对其承受动载能力的要求越来越 高，因此提高和改善焊接接头疲劳强度具有极大的潜在经济效益和社会效益。近年来，疲劳 方面的研究虽已有长足进展，但焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生，而且新材料、新工艺 的不断出现将产生许多疲劳强度的新问题。因此，研究焊接结构的疲劳行为仍有重要的理论 意义和实际价值。 1 3 研究对象综述 本文的研究对象为马鞍山钢铁公司港务原料厂的6 5 0 t h 桥式抓斗卸船机，该卸船机 采用偏轨箱形双梁结构，小车轨道安装在内侧腹班板上面，前后大梁的连接点、大梁与拉 杆的连接点、大梁与门架的连接点均设在外侧腹板上。前大梁的前端和后大梁的末端均用 横梁连接，形成刚性框架。支腿、门框和连杆采用箱形结构，各部分焊接而成，机器房位 于后大梁的末端，如图1 1 所示。该卸船机的焊缝多，大梁受力复杂。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 卸船机现场图 我们在对该卸船机进行测试、探伤时发现，两后大梁悬臂端有过大的下挠变形，跨中 有超标的上拱度；后大梁悬臂根部截面的计算应力已接近许用应力，强度储备偏低；陆侧 门框的北支腿与下横梁间连接的角焊缝开裂，裂纹长度约为8 2 r a m ，这种情况如不及时维 修，将非常危险。 本文将对该卸船机主梁出现过大的下挠情况和支腿处出现的焊缝裂纹进行研究。 该卸船机的基本参数如表1 1 所示。 表1 1 卸船机基本参数表 额定起重量q 1 6 t卸船机工作类型重级( a 6 ) 前伸距a 2 6 4 5 m后伸距c1 1 3 m 轮距b 1 2 m轨距l 1 4 m 小车轮距 2 8 9 m卸船机材质q 3 4 5 小车质量1 0 0 0 k g机器房质量 9 5 0 0 0 k g 1 4 研究内容及方法 本文研究内容及过程如下： 研究疲劳和断裂理论知识，讨论几种常规的疲劳分析方法和寿命估算方法，找到适 合做有限元分析和疲劳寿命分析的配套软件，对m s c p a t r a n 、m s c n a s t r a n 、 m s c f a t i g h e 分别做简单介绍。 用大型有限元分析前后处理软件m s c p a t r a n 建立抓斗卸船机的整机结构有限元 模型，运用m s c n a s t r a n 计算各个工况下的应力和位移值，验证该卸船机是否满足强 度和刚度要求。找到出现大应力和超标上拱度的部位和原因，并根据实际情况提出整改方 案，对改进后的方案再进行分析，证实改进的方案有效。 根据厂方提供的资料，结合现场调研抓斗卸船机的实际工作状况，编制与实际接近 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 的载荷时间历程。研究相关资料，得到抓斗卸船机主梁所用材料的疲劳性能曲线，再结合 主梁的静力分析结果，用m s c f a t i g u e 对主梁进行疲劳分析和寿命估算，实现整个主梁 疲劳寿命分布的可视化，使设计者和用户能直观了解主梁疲劳寿命的分布情况。 针对现场检测到支腿处出现较长裂纹的情况，建立支腿处的子模型，合理确定支腿 处缺陷的初始长度，应用m s c f a t i g u e 对卸船机支腿处裂纹进行分析，计算剩余寿命。 与实际结果相比验证此方法的可行性。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章m s c 软件的介绍 2 1 前后处理器m s c p a t r a n t h em a c n e a l s c h w e n d l e rc o r p o r a t i o n ( 简称m s c ) 创建于1 9 6 3 年，是世界最大的工程校 验、有限元分析和计算机仿真应用软件供应商。m s c p a t r a n 软件诞生于1 9 8 0 年前后， 是在美国国家宇航局n a s a 的资助下，随着计算机及其交互技术的发展，孕育而生并日益 完善的新一代计算机辅助工程分析前后处理系统，它不仅率先把工程分析人员从繁重的数 据准备工作中摆脱出来，并且提供与世界上大部分的有限元软件的无缝连接，还可以提供 形象的计算结果仿真图形，因此受到世界各大公司的喜爱。目前已广泛应用于航空航天， 汽车，造船，国防等各大领域。 作为著名的前、后处理系统，p a t r a n 主要具有以下特剧2 2 】： 开放式几何访问及模型构造 方便的图形用户界面。m s c p a t r a n 采用符合o p e ns o f t w a r ef o u n d a t i o n ( o s f ) m o t i f 标准全新的图形用户界面，直观的鼠标驱动菜单和表格系统可用于输入命令。友好 的用户界面条理清晰，最多不超过三级的菜单按”事件”激发，使用户可随意接通任何分析 任务，整个界面系统始终给人一种直观的感觉。 c a d 几何模型的直接访问。m s c p a t r a n 是世界著名的有限元分析前后置处理器， 其并行c a e 工程的设计思想使m s c p a t r a n 从另一个角度上打破了传统有限元分析的 前后置处理模式，其独有的几何模型直接访问技术( d i r e c tg e o m e t r y a c c e s s ，简称d g a ) 为各种c a d c a m 软件系统间的几何模型沟通，及各类分析模型无缝连接提供了完美的 集成环境。通过d g a 技术，m s c p a t r a n 可以直接从各个c a d 软件( 如 p r o e n g i n e e r i n g 、c a t i a 、u n i g r a p h i c s 、s o l i dw o r k s 、e u c l i d ) 中读取几何模型文件，这样 省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的传统过程。 强大的几何造型功能。m s c p a t r a n 提供了一系列的几何造型和编辑功能。不但 可以编辑读入的c a d 几何模型，对其划分有限元网格，而且可以独立创建各种复杂的几 何模型。 各种分析的集成 m s c p a t r a n 提供了按“事件分类”的分析解算器选择功能，根据不同分析软件设 置不同的工作环境，满足用户对使用效益和集成的需要。无需再像以前那样，当一个模型 要进行不同的分析时，必须针对不同的分析软件的特点重复建模。m s c p a t r a n 可直接选 择如m s c n a s t r a n 、m s c d y t r a n 、m s c m a r c 、m s c f a t i g u e 、f l u e n t 等多种求 解器表。 强有力的有限元建模功能 m s c p a t r a n 提供了功能全面、方便灵活的可满足各种分析精度要求的复杂有限元的 建模功能。其综合、全面、先进的网格划分技术，为用户根据不同的几何模型提供了多种 不同的生成和定义有限元模型工具，包括多种网格生成器、有限元模型的编辑处理、单元 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 设定、任意梁截面建模、边界和载荷定义以及交互式计算结果后处理。 在一项工程分析中，人们常需要花费很多时间划分有限元网格。m s c p a t r a n 提供 了针对不同分析目的的多种网格生成器，包括：快速曲面网格生成器、自动实体单元网格 生成器、映射网格生成器和扫成网格生成器。除优异的网格划分技术外，m s c p a t r a n 还 拥有一些独特的网格处理功能，将进一步大大方便用户的使用，如网格的优化处理、单元验 证试验、节点和单元编辑等。 用户可自主开发的功能 m s c p a t r a n 命令语言( p c l ，p a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e ) 是一个高级、模块化结构 的编程语言和用户自定义工具。p c l 语言类似c 和f o r t r a n 语言，又具有一些c + + 语言的特性，可用于生成应用程序。不仅能自如的进行字符串处理、动态内存分配，还可 以方便的编制m s c p a t r a n 风格特色的界面，允许用户读写m s c p a t r a n 数据库中的 全部信息。因此，m s c p a t r a n 是结合不同领域用户的特点，进行专用软件二次开发的强 有力的软件环境。几乎所有的分析仿真软件均利用被业界公认为标准的p c l 工具，建立 了与m s c p a t r a n 的直接集成关系，甚至通过o e m 将m s c p a t r a n 作为其分析的前 后处理器。 使用m s c p a t r a n 进行工程分析，般流程为：建立获取几何模型一选择分析程序 一建立分析模型一递交分析一评价分析结果【2 3 1 。 建立分析模型时分四步进行：网格划分一创建材料一指定单元特性一施加载荷及约束 条件。在递交分析阶段，可以根据实际情况确定分析类型是静力、动力、非线性、疲劳、 热分析等，再生成与对应分析程序相应的数据文件，以便分析时使用。最后，评价分析结 果。通过r e s u l t 、i n s i g h t 两套后处理工具，m s c p a t r a n 为用户提供了实时动画、等值 线、x - y 曲线图、云纹图等强大的后处理功甜2 4 】。 2 2 有限元分析软件m s c n a s t r a n m s c n a s t r a n 是美国m s c 公司开发的一个开放式的综合有限元分析软件系统，是 世界各工业领域应用最广泛的大型通用有限元分析程序系统，对大型结构进行有限元分析 尤为适合【2 5 1 。 通过几十年不断的研发，m s c n a s t r a n 以其全面的结构分析能力、优化的数值计算 方法、完备的前后处理技术已成为有限元软件中的典范，具有如下主要特点： 具有标准的输入和输出格式； 支持全范围的材料模式、载荷和边界条件； 求解精度和运算效率高、计算时间短； 软件可靠性好、分析的范围广； 提供独特的d m a p 用户开发工具； 可以与一些前后处理软件进行链接。 总之，m s c n a s t r a n 是非常优秀的一个有限元分析软件，其为m s c p a t r a n 提供 了强有力的计算支持，如果没有m s c n a s t r a n ，m s c p a t r a n 将逊色许多。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3m s c f a t i g u e 有限元疲劳分析软件 在有限元软件中，有的软件已经增加了专门的疲劳处理模块，使其软件功能更加强大。 常用的有限元疲劳处理模块包括a n s y s s a f e 、m s c f a t i g u e 以及n c o d e 公司 f e f a t i g u e 疲劳求解器，此外挪威船级社d n v 提供的s e s a m 程序包还包含了丰富的谱 分析等疲劳前处理功能。本文采用比较先进的大型有限元疲劳分析软件m s c f a t i g u e 对 桥式起重机主梁进行疲劳分析。 2 3 1m s c f a t i g u e 简介 m s c f a t i g u e 是m s c s o f t w a r e 公司和其在疲劳和耐久性分析领域的合作伙伴 n c o d e 合作开发的。在产品设计阶段使用m s c f a t i g u e ，可在制造过程之前进行疲劳分 析，并为集成的寿命管理创造一个机械计算机辅助工程环境，真实地预测产品的寿命，极 大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销 2 6 1 。 m s c f a t i g u e 己使世界众多的知名公司和企业从中获得巨大的经济效益。涉及从飞 机发动机到汽车、铁路、机械制造等各个领域。早期分析可以缩短产品推向市场的时间， 提高产品的可靠性，增强客户对产品性能的信心，同时也减少了厂商因未成熟产品的失败 而造成的开发合同的终止或其它难以预计的后果。 m s c f a t i g u e 有两种版本，一种是独立安装运行，另一种是内嵌在m s c p a t r a n 里， 成为它的一个模块。如果用m s c p a t r a n 作为m s c f a t i g u e 分析的前后处理工具，则 可以从其它m s c 的软件产品中获得m s c f a t i g u e 需要的几何和有限元结果，例如 m s c n a s t r a n ，m s c m a r c 和m s c d y t r a n 。载荷工况可以从m s c a d a m s 或物 理试验中获得。需要的材料信息可以从m s c f a t i g u e 的标准库中获得，从m s c e n t e r p r i s e m v i s i o n 材料数据库中获得，或者由用户自己提供。 m s c f a t i g u e 的主要分析功能有以下四种： 、 根据s - n 曲线进行总寿命评价分析 这是最传统的总寿命分析法。这种方法对裂纹的产生和扩展不加以明确区分( 因为我 们此时只关心构件总寿命，或者说我们此时还不了解构件是否有裂纹产生以及裂纹会怎样 快速的扩展) ，能够预测到有较大的损伤或破坏为止的总寿命。对于复合材料、塑性等非金 属材料的构件，由点焊和随机振动引起的疲劳问题同样适合。当然，这种方法也能够对材 料在一系列循环载荷作用下各部位的损伤度、剩余寿命进行评价。 根据- n 曲线进行裂纹萌生寿命分析 根据关键点( 主要是裂纹可能产生的点) 的应变来预测寿命，用户可以根据自己产品 需要定义疲劳限度。这个方法一般用于对整个结构的安全可能造成致命危险的高应变区 域，评估代用材料及各种表面条件的影响。 根据线弹性断裂力学进行裂纹扩展分析 这是一种建立在线弹性断裂力学理论基础上的预测裂纹扩展的方法，对于已有裂纹的 构件或在制造时必须先预测到裂纹的构件作快速的寿命分析，一般适用于结构的损伤容限 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 设计。 疲劳寿命灵敏度分析及优化 m s c f a t i g u e 可对不同材料、焊接类型、载荷大小、各种修正法、耐久性可靠度、 表面加工处理、残余应力、应力集中等设计因素进行灵敏度分析及优化。 此外，m s c f a t i g u e 也提供下述重要功能： 材料、载荷历程数据库管理：m s c f a t i g u e 软件包中内建了进行疲劳寿命分析所 不可缺少的