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太原理工大学硕士研究生学位论文 钢管水压机步进机构结构特性分析及优化设计 摘要 能源工业的快速发展，带动了管道运输业和钢管工业的繁荣。与此同 时，钢管产品的质量和使用的安全可靠性日益成为人们关注的焦点。而钢 管水压机正是基于此背景开发的一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压 试验的机组。因此，其性能的高低直接影响着钢管实验的准确性。而步进 机构作为钢管水压机中唯一与钢管长时间接触，并通过四机构联动，对钢 管实行下架、对中卡紧、上架以及移动等动作的单机，其结构强度的高低， 刚度的大小，结构设计是否合理，都严重影响着钢管水压机的工作性能。 为了解决钢管水压机步进机构在强度、刚度和结构设计方面存在的问 题，本文在以往研究的基础上，以断裂理论、弹塑性理论和优化设计理论 为研究基础，以三维建模软件p r o e 和有限元分析软件a n s y s 为研究平台， 从设计的角度对钢管水压机步进机构分别进行了焊接结构缺陷失效评定分 析和稳定性分析，并在保证机构强度和刚度的前提下，对步进机构主要承 重件架体进行了拓扑优化设计。具体工作和结论如下： 1 、通过对钢管水压机步进机构焊接结构进行缺陷失效评定分析，找到 了一种简单实用且合理有效地评定焊接结构缺陷失效的方法。通过引入工 程实例并结合试验，结果可知误差在设计允许范围内。此种方法对工程质 检人员具有一定的实际参考价值。 2 、通过对钢管水压机步进机构架体进行非线性屈曲分析，得到了架体 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 在钢管下架、架体支撑、钢管对中卡紧和钢管上架四种工况下的失稳载荷。 综合比较四种工况下的失稳载荷可知，架体在各工况下均不发生失稳时， 所受载荷应小于o 5 4 2 e 8 n ，满足此条件即可保证机构刚度要求。 3 、通过对钢管水压机步进机构架体进行优化前非线性静力分析，得到 了机构架体在外部载荷作用下的最大应力值和最大变形值。可知，优化前 应力和变形远远超过设计要求。 4 、通过对钢管水压机步进机构架体进行降重3 0 的拓扑优化设计，得 出多余重量主要集中在架体两侧板、架体u 形支撑板和u 形挡板上。 5 、通过对钢管水压机步进机构架体进行优化后非线性静力分析，得到 了机构架体在外部载荷作用下的最大应力值和最大变形值。可知，优化后 应力和变形依旧满足设计要求。 关键词：焊接缺陷，失效，评定，稳定性，优化设计 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n a iy s i sa n do p t n 缸z a t i o nd e s i g no fs 1 r u c t u ra i ，c h a ra c t e r i s t i c s o fs t e p p e r c h a m s mo fp i p eh 加r o s t p 汀i ct e s t e r a bs t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e e n e 玛yi n d u s 仃y c a u s e s p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o na n ds t e e l i n d u s 蚵sb o o m a tt h es a m et i m e ，s t e e lp r o d u c t s q u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h eu s eo fs e c u r i t yh a si n c r e a s i n 9 1 yb e c o m et h ep e o p l e s c e n t r a li s s u e p i p eh y d r o s t a t i ct e s t e ri sd e v e l o p e db a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，a b a l a n c ec o n t r o lo nt h eu s eo fw a t e rp i p ef o rh y d r o s t a t i ct e s t i n gu n i t t h u s ，i t s p e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f r e c tt h ea c c u r a c yo ft h es t e e l se ) 叩e r i m e n t s t e p p e r m e c h a n i s ma sas i n g l em a c h i n e ，o n l yc o n t a c t i n go ns t e e lf o ral o n gt i m e ，a n d i 1 1 t e r a c t i n gw i t ht h r e ee l s em e c h a n i s m ，a c h i e v e ss t e e l sg o i n gd o w n ，c l a i l l p i n g ， g o i n gu pa i l dm o v e m e n t t h el e v e lo fi t s s t m c t u r a ls t r e n 垂ha n ds t i 肺e s sa j l d s t m c t u m ld e s i g nh a v eas e r i o u si m p a c to np i p eh y d r o s t a t i ct e s t e r sp e 墒m a n c e i no r d e rt os 0 1 v i n gt h ep r o b l e m so fs t e p p e rm e c h a n i s mo fp i p eh y d r o s t a t i c t e s t e ri ns t r e n g t h ，s t i h n e s sa n ds t n j c t u r a ld e s i g n ，i nt m sp 印e r ，o nt h eb a s i so f p r e v i o u ss t u d i e s ，a n d 行a c t u r em e c h a n i c s ，f a t i g u et h e o r y ，e l a s t i c p l a s t i ct 1 1 e o 巧 a 1 1 do p t i m a ld e s i g n ，m a k i n gu s eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o r w a r ep r o e a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ea n s y s ，w e l d i n go fs t m c t u r a ld e f e c t s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 f a i l u r ea s s e s s m e n ta i l a l y s i sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i sa r ec a m e do u ti n s t 印p e r m e c h a l l i s mo fp i p eh y d r o s t a t i ct e s t e r 盘- o mad e s i g np o i n to fv i e w ，a n du n d e rt h e p e m i s s i o no fs 仃e n g t ha n ds t i 肺e s s ，t h em a i n1 0 a d - b e a d n gp a r t s 仔a m eo f t h es t e p p e rm e c h a n i s mi sd e s i g n e db yt o p 0 1 0 9 yo p t i m i z a t i o n s p e c i f i cw o r ka n d c o n c l u s i o n sa i ea sf b u o w s ： 1 、b yc a 删n go u tt h ef a i l u r ea s s e s s m e n ta n a l y s i so ft h ew e l d e ds t m c t i l r eo f s t 印p e rm e c h a n i s mo fp i p eh y d r o s t a t i ct e s t e r ， ar e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e e v a l u a t i o nm e t h o di sf o u n d b yc o i n p 撕n gt h ee n g i n e 甜n gi n s t a n c ew i t h e x p e r i m e n t ，w ec a ng e tt h a tm ee 玎o ri sr e a s o n a b l ei nt h ed e s i g n t h i sc o n d i t i o n c a nb eg u a m n t e e dt om e e tt h ew r e l d e ds t m c t l l r es t r e n g t hr e q u i r e m e n t s 2 、b yc a r 咖n go u tt h en o n - l i n e a rb u c h i n ga n a l y s i so ff r a m eo ft h ew e l d e d s t r u c t u r eo fs t 印p e rm e c h a n i s mo fp i p eh y d r o s t a t i ct e s t e r ，b u c 心i n gl o a d si s f o u n du n d e rs t e e l s g o i n gd o w n ，c l a m p i n ga n dg o i n gu p b yc o i n p 撕n go f b u c k l i n gl o a d su n d e rf i o u rc o n d i t i o n s ，f i n d i n gt h a tt h el o a d ss h o u l db el e s st h a n o 5 4 2 e 8 mw h e nt h e 矗a m ed o n to c c u ri n s t a b i l i t y t h i sc o n d i t i o nc a nb e g u a r a n t e e dt om e e tt h ew e l d e ds t m c t u r es t i f r n e s sr e q u i r e m e n t s 3 、 b yc a r r y i n go u tt h en o n 一1 i n e a rs t a t i ca n a l y s i so ff r a m eo ft h ew e l d e d s t m c t u r eo f s t 印p e rm e c h a n i s m o f p i p eh y d r o s t a t i ct e s t e rb e f o r ei t so p t i m i z a t i o n ， t h em a x i m u ms t r e s sa n dt h em a x i m u md e f o n n a t i o na r ef o u n dw h e ne x t e m a l l o a d sh a v ea ne f ：i e c to nt h eb o d y b o t hs t r e s sa n dd e f o m a t i o nm e e tt h ed e s i g n r e q u l r e m e n t s 4 、b yc a 删n go u tt h et b p o l o g y0 p t i m i z a t i o nt h a tw mr e d u c e3o w e i g h t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 o ff r a m eo ft h ew e l d e ds t 】m c t u r eo fs t 印p e rn l e c h a n i s mo fp i p eh 灿s t a t i ct e s t e r ， f i n m n gt h a te x c e s sb o d yw e i g h tm a i n l yi so nb o t hs i d e so f 丘锄e ，u 。s h 印e d s u p p o r t 舭l m eb o d ya n d t h eu - s h a p e d b a m e p l a t e 5 、b yc a r 咖n go u tt h en o n - l i n e a rs t a t i ca j l a l y s i so ff 姗e o ft h ew e l d e d s t m c t u r eo fs t 印p e rm e c h a n i s mo fp i p eh y d r o s t a t i ct e s t e ra f t e ri t so p t i m i z a t i o n ， t h em a x i m u ms t r e s sa n dt h em a x i m u md e f o m a t i o n 羽ef o u n dw h e ne ) 【t e m a l 1 0 a d sh a v ea ne f j i e c to nt h eb o d y b o 也s t r e s sa n dd e f o m a t i o nm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e y 厂o r d s ：w e l d i n gd e f e c t ，f a i l u r e ，a s s e s s m e n t ，s t a b i l i t y o p t i m i z a t i o n d e s i g n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 钢管水压机研究背景和意义 随着我国经济的持续向好，拉动了石油天然气等能源工业地快速发展，同时也带动 了管道运输业和钢管工业的繁荣。为了提高钢管产品的质量和使用的安全可靠性，各钢 管制造厂家都在努力强化检验与试验手段。在所有的钢管无损检测与试验中，静水压试 验由于试验准确率高而成为钢管制造工艺流程中必不可少的检验项目，也是用户比较关 注的重要试验工序之一。 静水压试验【l 】与其它无损检测试验相比主要有以下三个优点：可以将更大的尺寸 缺陷扩大至临界尺寸，从而使尺寸缺陷暴露而返修或清除，把问题解决在产品出厂之前； 在残存的小缺陷尖端处造成局部塑性变形引起钝化，降低缺陷的临界扩展率，卸压 后在缺陷尖端区域周围引起局部残余压缩应力，对缺陷的扩展起抑制作用并提高含裂纹 体的抗断能力；可以消除更多引起管道断裂的有危害的成型和焊接残余应力。 而钢管水压机正是基于此背景所开发的一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压 试验的机组。其基本工作原理是基于帕斯卡定律，利用水为工作介质，以静压力传递来 进行工作，因此，其性能好坏直接关系到所实验钢管的合格与否。 对于传统的钢管水压机，一般由水路系统、油路系统、步进机构、控制系统以及其 它辅助系统构成。其中，步进机构作为整个机组当中唯一与钢管长时间接触，并通过四 机构联动，实现钢管下架、钢管对中卡紧、上架以及沿轨道移动等动作，因此，其性能 的高低，包括强度的高低，变形的大小，结构设计合理与否，直接影响到钢管水压机的 性能，以及整个静水压实验的过程和结果。 1 2 钢管水压机国内外研究现状 目前，国内外对于钢管水压机的研究都有自己的一套成熟理论，各型号水压机均有 开发。国外主要生产厂家集中在欧洲以及日韩，国内主要有诸如中国一重集团、济南博 辰液压机公司以及太原华冶等等知名厂家。 综合比较各生产商的主要产品，我们可得到当前水压机开发过程中，国内外研究机 构所做的主要工作有： 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 一、密封性的研究 主要针对钢管水压机立柱抱紧装置密封部位与钢管端面、外径的端面密封或径向密 封以及各液压缸和阀体的密封性研究。 对于液压设备，流体泄漏历来都是研究人员所关注的重要问题。对于大压力水压机， 例如：大间隙7 0 m p a 水压机，零部件的压力泄露会导致工作压力无法满足工作要求；严 重的还会导致危险事故发生，如本文中抱紧装置因压力泄漏无法抱紧，导致加压实验过 程中钢管出现径向或纵向的蹿动，致使高压水流从微小间隙射出等等。 关于这方面的研究有屈绪良【2 1 ，他在文中详细介绍了钢管水压机管端的径向密封和 端面密封工作原理，并分析了影响径向密封胶圈密封性能和使用寿命的主要因素。并提 出了将径向密封试验头改造为端面密封的结构，还设计出性能可靠、经济实用的端面密 封结构，在生产实践中取得了良好的效果。 下图1 1 所示为立柱抱紧装置密封部位与钢管的密封结构。 图卜1 抱紧装置 f i g 1 - lt h eh o l d i n gd e v i c e 二、油水平衡系统的研究 主要针对机组液压系统与低压水系统、高压水系统相互协调配合以及控制的研究。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 钢管水压机是集油路系统和水路系统于一体的冶金设备。油路系统主要功能为控制 静水压试验中钢管管端油水压力平衡以及各液压缸的动作；水路系统主要负责为钢管进 行静水压试验时提供低压水，并通过高压水系统增压向钢管里充高压水打压。 郭宝亿【3 】在其文章中对静水压试验机的基本状况和部分结构功能进行了一定地介 绍，提出了静水压试验机自动控制方案，包括水压系统、液压控制系统的以及监控系统。 它采用变结构的p i d 算法和非线性控制算法对水压与油压的平衡进行跟踪控制。还利用 v b 编制了程序画面，并编制了记录的存储表格与曲线和记录的查询方式，编制了基于 s t e p 7 的下位机程序。并通过p l c 与工控机的自由口通信方式，使上位机方便设置参数， 在静水打压过程中，保持了液压系统和水压系统的一种动态平衡，从而充分利用了p l c 和工控机的优点，具有一定的工程实际应用价值。 魏海翔，刘翠华 4 】在其文中对公司原有螺旋焊管静水压试验机进行了技术改造，重 新设计了电气控制线路，增加了计算机控制系统。介绍了改进后静水压试验机的工作过 程、控制系统配置及软件程序设计。使用证明各项控制功能及数据均达到或超过设计要 求。 下图1 2 为济南博辰5 0 0 t 钢管水压机油水平衡系统的局部图。 图卜2 油水平衡系统 f i g 1 2w a t e r b a l a n c es y s t e m 三、机械结构的研究 对于钢管水压机机械结构方面的研究主要是对机架，包括横梁、立柱等机械结构方 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 面。 吴生富f 5 1 在其文章中首次提出了全预紧组合机架的概念，并将之应用于液压机，为 其整体性分析提供了一个新的平台。在对液压机整体进行分析时，文章中引入了“真预 紧曲线”的概念，将之考虑进横梁的变形，并进一步提出了临界载荷、整体区、开缝区 以及分离区等概念。此文还以有限元分析软件为模拟工具，对液压机进行了整体性分析， 提出液压机的整体性主要体现为上梁与立柱结合面处的开缝问题。并在上述研究的基础 上提出了对水压机本体设计的修改意见，并对最终设计方案进行了全面的分析。 丁锋【6 】在其文章中分别对钢管静水压试验机圆柱形拉力梁和矩形拉力梁进行了有限 元受力分析，针对分析结果讨论了矩形拉力梁水压机和圆柱拉力梁水压机的特点及优缺 点，提出了两种拉力梁的选用原则。该研究对水压机的设计和改造具有一定的参考价值。 下图1 3 为凯峰8 0 0 t 水压试验机横梁、拉力梁和立柱机械结构图。 图卜3 机械结构 f 嘻1 - 3m e c h a i l i c a ls 仇l c t u r e 通过多年地研究与积累，目前国内外各钢企以及科研院所对钢管水压机的研究工作 已颇有心得，并已经能够达到以下水平： 1 密封严密； 2 油水平衡系统成熟安全可靠； 3 步进机构运行平稳，避免了钢管划伤； 4 设备结构形式多样、系统配置丰富； 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 以上研究成果一定程度上改善了钢管水压机的性能，提高了试验效率，但依旧存在 一些不完善之处，例如： 1 抱紧部位密封材料使用寿命较低； 2 步进机构时而发生焊接缺陷失效和失稳； 3 设备结构过于复杂，导致生产困难，成本较高； 在上述问题当中，从机械角度考虑，目前需要迫切解决的就是第二个问题。由于步 进机构( 图1 4 ) 主要负责钢管的进出传送以及实验过程的对中和卡紧，而由于其含有 零部件较多，如推板组立、v 形支撑组立、卡紧组立、锁紧组立、滑动组立、架体等， 并且结构复杂，实现功能较多，因此，其设计研究工作至关重要。当前科研工作中，主 要对其运行特性和结构设计【_ 7 】进行了深入研究，而对其焊接缺陷失效和失稳等方面的问 题研究不足，其不足直接导致了整个机组及静水压试验的失准。本文正是针对上述第二 条不足，并以一系列理论知识为基础对钢管水压机步进机构的结构特性进行分析研究， 以提高钢管水压机静水压实验的准确性和安全性。 1 3 本文主要研究内容 图卜4 步进机构 f i g 1 _ 4s t 印p e rm e c h a n i s m 针对钢管水压机步进机构所存在的问题，本文拟从以下三个方面进行分析研究： 一、以断裂力学【8 ，9 1 为理论基础，并综合运用焊接缺陷换率图【l o - 13 1 ，以现有某型号钢 管水压机为研究对象，对其步进机构焊接结构进行缺陷失效 1 4 ，1 5 1 评定，进而找到一种简 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 单实用且有效的评定方法。 目前，国内外在焊接方面的研究已形成一套成熟理论，对于焊接结构【1 7 1 的设计， 理论上焊接强度不会存在大的问题，即不会出现疲劳断裂【l 引。然而在实际应用中焊接结 构依旧会发生强度破坏，主要原因是焊接结构焊接部位本身存在质量问题，也就是焊接 结构存在缺陷失效，导致局部强度下降，失效部位出现应力集中，进而导致断裂或塑性 变形等多种失效形式的出现。为了将焊接隐患解决于设备出厂前，本文对某型号钢管水 压机步进机构焊接结构进行了研究，提出了一种合理地、有效地评定焊接缺陷失效的方 法，为工程质检人员检测焊接结构强度提供一定的参考依据。 二、以弹塑性力学【1 9 】为理论基础，以a n s y s 为研究平台，对某型号钢管水压机步进 机构进行屈曲分析，从而保证其对刚度的需求，并以此为基础对机构进行稳定性分析。 由于步进机构为主要承重单机，在承受外部拉、压、弯、扭等载荷时，其主要承重 构件架体会发生不同程度的屈曲变形，导致静水压实验中钢管管壁内部产生应力集 中。在高压水下，钢管过大的应力集中会引起静水压实验的不安全钥管爆裂；另外， 较大的屈曲变形会导致机构的失稳，同样影响实验的安全性，这些都是设计当中所不允 许的。本文正是基于上述问题，在已有理论基础上，以有限元软件a n s y s 中屈曲分析模 块为研究平台，对某型号钢管水压机步进机构进行非线性屈曲分析，进而找到现有结构 下机构的最大屈曲荷载，并对其稳定性给予合理性建议。 三、以拓扑优化【2 0 】为理论基础，以有限元软件a n s y s 中优化设计模块为研究平台， 对某型号钢管水压机步进机构主要承重构件架体进行优化设计。 由于步进机构结构复杂，架体上存在多个零部件，在工作状态下所受载荷循环变化， 且不可忽略，因此，本文拟通过拓扑优化，在满足机构架体对强度和刚度要求的前提下， 寻找多载荷条件下机构架体的最佳材料分配方案，进而对机构架体进行优化设计。最终 达到既降低成本，又满足设计强度和刚度的要求。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 二= 二二_ 二一一 第二章评定与分析理论基础及应用软件介绍 本章主要介绍了对某型号钢管水压机步进机构进行焊接结构缺陷失效评定以及多 种分析时所应用到的理论知识和软件概况。 2 1 评定与分析理论基础 2 1 1 断裂理论 断裂力学2 1 1 是一门研究含裂纹物体断裂强度的科学。它为工程结构的安全设计、规 范标准的合理制定及材料的科学选择提供理论基础。断裂理论按材料或结构断裂时应力 所表现的不同状态，可分为线弹性断裂理论、弹塑性断裂理论、刚塑性断裂理论、粘弹 性断裂理论。由于本文所研究对象为重型冶金设备，外部荷载较大，焊接结构缺陷破坏 时时限较短，因此本文为便于研究假设所用材料为理想线弹性体，应用线弹性断裂理论。 许多工程实际表明，由于材料或结构存在裂纹或缺陷，其实际强度仅为理论强度的 1 1 0 1 1 0 0 ，导致材料或结构在低应力工况下便发生脆断现象。而线弹性断裂理论主要 就是研究带有裂纹的线弹性体，它依靠线弹性断裂力学理论为理论基础，研究和分析了 焊接结构发生脆性断裂的理论基础。 裂纹由于外界因素的作用，产生两种不同的行为结果静止或扩展，其与裂纹尖 端的应力场直接相关。人们通过研究裂纹尖端的应力场，发现决定其强度的为裂纹端部 区域的一个公共因子，将之称为应力强度因子k ，并用之来反映裂纹尖端的应力场的 大小。其表达式通常如下： k ，= 阽石 ( 2 1 ) 其中y 裂纹的几何形状系数；仃垂直于裂纹方向的外荷载引起的平均应力； 口裂纹的半长尺寸。 从k ，的表达式中可以得出，随着载荷口的增加，k ，值也随之增大。当其增大至某 一临界值时，构件便发生破坏，此时的应力强度因子即为临界值因子，记作k ，c ，其表 现了材料的平面应变断裂韧性，反映了材料抗断裂能力的一个指标。由此应力强度因子 理论所建立的安全判据便为： 7 奎堕里三奎堂堡主婴窒生堂垡笙茎一 k ，= k 形 ( 2 - 2 ) 即裂纹尖端区域的应力强度因子等于材料断裂韧性时，裂纹开始失稳扩展。 由于k ，是利用带裂纹的试样在材料试验机上测定的，许多国家有标准实验法，故 由式2 1 可得裂纹容限值，用作定量确定结构脆断性能的质量检验依据： 订：! f ，生、2 ( 2 3 ) 妒i i 菇j u 叼7 当裂纹缺陷缓慢由口。向4 。扩展时，应力强度因子巧达到临界值因子k 尼，此时构 件立即发生脆性破坏，此时由公式( 2 3 ) 可得构件的裂纹容限安全判据： 口= 口。 ( 2 4 ) 即裂纹尺寸达到裂纹容限值时，裂纹开始失稳扩展。同时也说明，裂纹存在且长度为 口但小于口。时，构件依旧不会发生失稳断裂。由此解决了裂纹容限的量值问题。 2 1 2 屈曲分析理论 屈曲是结构众多失效形态中的一种。对于结构部件，当内部应力大于其屈服应力后， 会发生塑性变形，致使结构在外力撤销后不能恢复到原始状态；另外一些情况是，如细 长的杆件两端受到轴向力的作用，随着轴向力的增大，在还未达到屈服极限时，杆件就 会发生弯折，这种情况就是屈曲。 由于屈曲的存在导致了结构的不稳定，因此，屈曲对结构的稳定性设计来说是致命 的。 屈曲分析是一种解决屈曲结构在屈曲响应下的模态形状的技术，常用来确定结构开 始变得不稳定时的临界载荷。 a n s y s 中屈曲分析通常分为b u c k i n g 分析和非线性“荷载一位移”屈曲分析。 b u c k l i n g 分析常被用以预测一个理想弹性结构在理论情况下的屈曲强度，如图2 1 所示。a n s y s 的线性屈曲分析使用特征值的公式来计算造成结构负刚度的应力刚度矩阵 的比例因子： 】+ a 陋脚) - o ( 2 5 ) 其中，区】：刚度矩阵；p 】：应力刚度矩阵；砷 ：位移特征矢量；兄：特征值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用特征值公式，可以决定结构的分叉点。具有分叉屈曲的结构在达到屈曲载荷之 前，其位移变形曲线表现出线性关系，达到屈曲载荷后，屈曲将跟随另外的路径。 通常情况下，希望得到结构的保守载荷，即下限载荷，而利用特征值屈曲分析可得 到屈曲载荷的上限，因此它只是一种学术解，不用来作为工程实际应用。 图2 1b u c k l i n g 萄卜析 f i g 2 - 1 b u d d i i l ga n a l y s i s 非线性“荷载一位移屈曲分析通常用于对实际结构的设计或计算，该方法用逐渐 增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷【2 2 1 ，如图 2 2 所示。应用非线性技术，模型中就可以包括诸如初始缺陷、塑性、大变形响应等特 征。 f 外 2 1 3 优化设计理论 图2 2 非线性屈曲分析 f i g 2 - 2n o n l i i l e a rb u c l 【l i i l g 锄a 1 ) ，s i s 屈曲点 优化设训2 3 1 是用数学规划的理论和方法，借助电子计算机高速计算和强力逻辑判断 的能力，从满足工程问题要求的一切可行方案中，按照预期的目标，自动寻求最佳方案 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 的设计技术和方法。它能综合处理并最大限度地满足从各个不同角度提出的甚至互相矛 盾的技术要求。 优化设计要求在满足给定的设计限制条件下，使所选择的设计参数中一项或多项获 得最优值。为便于求解，人们常把各种实际工程问题进行抽象，用规范化的数学表达式 数学模型来表示。通常用x 表示优化过程中各参量( 称为设计变量) ，优化目标用 目标函数厂表示，各种约束( 限制) 条件用函数g ( o 的条件) 或 ( = o 的条件) 表 示。本文中优化设计数学模型统一用下面的形式描述： m i n 厂( x )x = 五，恐， 1 ( x ) = o f - 1 ，2 ，m 五，( 功= 0= 1 ，2 ，p “m i n 是极小化的意思；“s f ”表示“使满足于”的意思。 由上可知，数学模型包括设计变量、目标函数和约束条件三要素。 由于数学模型的构成不同，优化设计可分为： 当聊= p = o ，称为无约束优化问题。 当m 、p 不全为零时，称为约束优化问题。 若厂( x ) 、( x ) 、 ，( x ) 都是线性函数，称为线性规划问题。 若厂( x ) 、蜀( 工) 、| j l ，( x ) 中至少有一个为非线性函数，称为非线性规划问题。 优化问题的求解过程是：按照一定的逻辑结构进行反复的数值计算，寻求函数值不 断下降的新点，直到最后获得具有足够精度的新点时终止计算并将该新点作为最优点输 出。具体设计过程框图如图2 3 所示。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 应用软件介绍 2 2 1 p r o e 软件介绍 图2 3 优化设计过程框图 f i g 2 3q 岫t i o nd 髓i 弘p r o c 鹤sb l o c kd i a g r a m p r o e ( p r o e n g i n e e r 操作软件) 是美国参数技术公司( p a r 锄e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的重要产品，主要被应用于三维造型软件领域，并被作为当今 世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是目前工作中应用最广 的c a d c a m 软件之一。 p r o e 首次提出了参数化设计的概念，并采用单一数据库来解决相关性问题。其基 于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现了并行工程设计。 p r o e 采用了模块方式，并通过一系列完全相关的模块来表述产品的外形、装配及 其他功能。具体模块包括：工业设计( c a i d ) 模块、机械设计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造( c a m ) 模块、数据管理( p d m ) 模块、数据交换模块。 本文研究过程中主要涉及工业设计( c a i d ) 模块和机械设计( c a d ) 模块，在次仅对这 两种模块进行概述，其余模块在此不作介绍。 一、工业设计( c a i d ) 模块工业设计( c a i d ) 模块主要用于对产品进行几何设计。在 此之前，当零件未加工生产出来时，人们无法观看其形状，只能通过二维平面图进行想 象。之后，人们用3 d s 生成了实体模型，但其生成的实体模型在实际工程中与设计生产 有一定出处。而用p r o e 生成的实体模形，不仅图形美观、工作数据准确，而且与实际 太原理工大学硕士研究生学位论文 产品联系紧密。实际上，产品的加工生产过程都要依赖于p r o e 实体建模所生成的数据。 二、机械设计( c a d ) 模块机械设计( c a d ) 模块主要用于对机械产品进行三维实体设 计。由于机械设计( c a d ) 模块含有各种线条和特征，故可用其生成任意复杂形状的零 件。在实际生活中许多物体表面并不是十分规则的，如摩托车轮毂，我们将这些形状不 规则的表面称为自由曲面。现实生活中，随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来 越多的曲面产品被人们所需求，这就要求机械设计人员在产品开发设计过程当中能够准 确对曲面产品进行实体建模，而p r o e 所含有的功能日益得到发挥。p r o e 中有许多生 成曲面的方法，例如：拉伸、旋转、放样、扫掠、镜像、阵列等等。通过这些功能，p r o e 可以方便、高效、准确地建立任何复杂曲面。除此之外，p r o e 不但可以独立生成实体 模型，还能与其它实体建模模块结合起来使用，例如：p r o a s s e m b l y ( 实体装配) 、 p r 0 s u r f a c e ( 曲面设计) 、p r o w e l d i n g ( 焊接设计) 等等。 2 2 2a n s y s 软件介绍 有限单元法是2 0 世纪5 0 年代随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计 算方法。作为一种数值分析方法，其首先被应用于连续力学领域飞机结构静、动态 特性分析当中，随后很快就广泛地用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 作为一种结构分析技术，其未来的发展主要是在各工程领域中的应用、提高，并逐渐完 善有限元方法的技巧。 随着计算机辅助设计( c a d ) 在工程设计中日益广泛的应用，有限元程序已成为c a d 常用计算方法库中不可缺少的内容之一。a n s y s 【2 4 2 5 1 是美国a n s y s 公司于1 9 7 0 年由j o h n s w a n s o n 博士所开发的大型通用有限元计算软件，它融合了结构、热、流体、电、磁、 声学。作为目前最为流行的一款有限元软件，具备了强大的功能、好的兼容性、方便地 使用以及快的计算速度等优点，成为了工程师仿真开发的首要选择，因此被广泛地应用 于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、 土木工程、生物医学、水利以及日用家电等一般工业及科学研究领域。 a n s y s 软件作为一种大型通用有限元计算软件，提供了多种设计分析功能清单，例 如：结构线性非线性分析、电磁分析、流体分析、优化设计、接触分析、网格划分以 及利用a n s y s 参数设计语言扩展宏命令等。 日常工作中，人们所应用的a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理器( 前处理模块) ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 求解器( 分析计算模块) 和后处理器( 通用后处理模块时间后处理模块) 。前处理器提 供了多种建模和划分网格命令，可以方便地进行实体建模和构造有限元模型；求解器包 括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电 磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互 作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理器可将计算结果以彩色等值线显示、梯 度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内 部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 本文在分析过程中主要应用到了求解器( 分析计算模块) 中的屈曲分析模块和优化 设计模块，以下仅针对如上两种模块进行概述，其余模块在此不作介绍。 一、屈曲分析模块a n s y s 在a n s y s s t r u c t u r a l 中提供了两种分析结构屈曲载荷的方 法：非线性“荷载位移”屈曲分析和b u c k i n g ( 线性) 屈曲分析。由于非线性“荷载一 位移 屈曲分析比b u c k i n g ( 线性) 屈曲分析更精确，故对于实际结构的设计或计算，通 常使用非线性“荷载一位移”屈曲分析。该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析 技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷。 具体确定采用非线性“荷载一位移”屈曲分析时，其分析步骤如下： ( 1 ) 建立产品的实体几何模型，之后进行网格划分，建立有限元模型； ( 2 ) 根据实际工况在有限元模型上施加载荷，并设定边界条件； ( 3 ) 对施加荷载和设定边界条件的有限元模型进行静力学分析； ( 4 ) 在静力学分析的基础上对模型进行b u c k i n g ( 线性) 屈曲分析，进而确定临界 载荷； ( 5 ) 在b u c k i n g ( 线性) 屈曲分析的基础上，综合考虑各种因素，如：几何缺陷、 载荷浮动、材料非线性等，之后进行非线性“荷载一位移”屈曲分析。 通过特征值屈曲分析，可以获得实体模型的临界压力，并通过非线性“荷载一位移 屈曲分析，可得出了载荷作用方式与模型结构稳定性的关系，进而可以得出模型结构不 发生失稳时所能承受的载荷范围。 二、优化设计模块优化设计模块是集成有限元法与优化设计而形成的模块。a n s y s 作为一种大型通用有限元计算软件，其所集成的优化设计模块大大提高了产品设计和开 发的成功率。其工作框图如图2 4 所示。 目前的a n s y s 产品在a n s y s s t r u c t u r a l 中，提供了两种优化设计方法：最优设计和 太原理工大学硕士研究生学位论文 拓扑优化设计。所谓“最优设计”，是指一种方案可以满足所有设计要求，而且所需的 支出( 如重量、面积、体积、应力、费用等) 最小。而拓扑优化设计是指形状优化，也 可称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配 方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度 设计。由于本文机构为已确定机构， 因此本文仅从满足强度和最大刚度角度对步进机构进行拓扑优化。具体分析操作步骤如 下： 定义拓扑优化问题选择单元类型指定要优化和不优化的区域定义 和控制载荷工况定义和控制优化过程啼查看结果。 图2 4 工作框图 f i g 2 - 4w - o r kd i a g r a m 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 引言 第三章焊接结构缺陷失效评定 在实际工程当中，焊缝一般存有缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、咬肉、焊瘤 等( 如图3 1 所示) 。其中，裂纹是焊接中最危险的缺陷，而由其所产生的失效也是焊 接结构缺陷失效当中最主要的失效模式。裂纹的产生原因多种多样，如钢材的化学成分 不当，焊接工艺不合适，所用焊条及母体材料不恰当等。裂纹的存在削弱了焊缝的有效 面积，在裂纹尖端处易形成应力集中( s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ) 现象，对焊缝的受力性 锹2 6 】造成不良影响，在动荷载作用下会扩展成裂缝导致焊接结构失效断裂。 匡l 囱国雷窜 ( a ) 裂纹( b ) 气孔( c ) 夹渣 ( d ) 未焊透( e ) 咬肉( f ) 焊瘤 图3 1 焊缝的缺陷 f i g 3 - 1w e l dd e f e c t 断裂的出现直接影响到机械设备结构的完整，妨碍了其各项功能的实现，甚至还会 引发安全事故，因此，这是生产中所不允许的。然而，实际工程中很多重要结构是由焊 接结构构成，为了找到一种合理的、有效的方法对焊接结构进行缺陷失效评定，进而确 保焊接结构的焊接强度满足使用要求，本文将以某型号钢管水压机步进机构焊接结构局 部焊缝为例，对其进行了缺陷失效评定分析方法的研究。 3 2 焊缝连接形式 焊缝的连接形式按被连接构件的相对位置分为平接、搭接、t 形连接和角接；根据 焊缝的截面形状分为对接焊缝( b u t tw e l d i n g ) 和角焊缝( a n 9 1 ew e l d i n g ) ，如图3 2 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 口口臣卫 = 云三三三三= ( b ) 图3 2 焊缝连接形式 f i g 3 - 2w b l dc o n n e c t i o n 矗) m 图3 2 ( a ) 所示为对接焊缝的平接连接，其特点是用料省，传力平缓均匀，受力性 能好，疲劳强度高，但焊件的边缘部位需要开坡口，且坡口尺寸要求严格，故制造较费 工。 图3 2 ( b ) 所示为角焊缝的搭接连接，其特点是构造简单，施工方便。 图3 2 ( c ) 所示为角焊缝的t 形连接，其特点是受力性能差，但由于构造简单，省 工省料，故应用较广。 图3 2 ( d ) 所示为对接焊缝的t 形连接，其特点是疲劳强度高，故经常应用于较重 要的结构当中。 图3 2 ( e ) 、( f ) 所示为角焊缝和对接焊缝的角连接。 由于本文焊接结构设计所用焊缝均为角焊缝，故对对接焊缝不作过多叙述。 3 3 角焊缝的形式 角焊缝是在