（机械工程专业论文）装卸型门机转台筒体开裂成因研究及修复方案优选.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代港口的装卸型门机不断地追求更高的经济指标，在港口装卸生产中 起着越来越重要的作用。长期以来，装卸型门机的金属结构的管理一直是港 口设备管理的难点，如何有效她提高这些装卸型门机使用的科学性和合理 性，有效延长其使用寿命是当前港口机械结构状态检测和故障诊断的重要内 容。 本文以天津港第六港埠公司1 6 t 3 3 m 门机转台简体开裂的原因分析和 修复裂纹方案优化为主线，研究了装卸型门机结构c a e a 的概念和方法，包 括模型的生成和处理的方法、单元和网格的控制方法等。运用a n s y s 软件对 装卸型门机的转台筒体结构进行了分析，得到了结构的应力、变形、应变能 等的分布情况和应力、位移等分布图谱，为结构状态监测与诊断、测试提供 了理论和技术指导。根据分析结果，给出了修复门机转台筒体裂纹的优化方 案和具体的施工工艺，将结构c a e a 方法应用于港口机械设备管理，指导港 口设备金属结构的管理和检测。 本文的主要创新点是： 系统地研究了装卸型门机结构c a e a 建模的技术问题，采用理论建模与 实验建模相结合的建模方法与技术，提高了模型及其计算结果的可靠性与科 学性。通过对装卸型门机转台筒体结构的实体建模与分析，发现了其在载荷 作用下的应力分布情况，为转台简体裂纹的产生原因提供了有力的证据。并 提出和验证了修复方案的正确性，有效地解决了天津港1 6 t 3 3 m 门机转台筒 体开裂的实际问题，为治理该类门机的钢结构开裂开创了先例，对今后同类 机型钢结构开裂的修复及新造同类结构门机提供了设计、工艺要求，均有良 好的借鉴价值。为港口设备的安全生产提供了科学保障，大大提高了港口设 备管理的科学性和合理性，使整个港口设备管理水平上一个新台阶。 关键词：门机、结构、计算机辅助工程分折( c a e a ) 、建模、有限元法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d e mh a r b o u rc r a n eh a sb e e nc o n t i n u o u s l ys e e k i n gh i g h e re c o n o m i c a l e f f i c i e n c y t h es t e v e d o r i n gg a n t r yc r a n ei nm o d e m h a r b o u r sp l a y sac r i t i c a lr o l e i n l o a d i n g a n dd i s c h a r g ep r o d u c t i o n i nal o n gt e r m ，m a n a g e m e n to fm e t a l s t r u c t u r ei sad i f f i c u l tp o i n ti nt h e m a n a g e m e n t o fh a r b o u r e q u i p m e n t h o w t oi n c r e a s et h es c i e n t i f i c r e a s o n a b i l i t yo f t h e s ec r a n e s ，a n dt op r o l o n gt h e i rl i v e s ，i so n ei m p o r t a n th a r b o u r o fs t a t es u p e r v i s i o na n df a u l td i a g n o s i si nh a r b o u rm a c h i n e r y t a k i n gt h ec a u s ea n a l y s i sa n di t sr e p a i rs c h e m eo p t i m i z a t i o no f t h er o t a t i n g p l a t f o m es l e e v ec r a c kw i t ht h e1 6 f f 3 3 mg a n t r yo f t h es i x t hh a r b o u rc o m p a n yo f t i a n i i nh a r b o u r a st h em a i nr e s e a r c hl i n e t h ed i s s e r t a t i o nm a k e ss u c hr e s e a r c h e s a so nt h ec o n c e p t i o na n dm e t h o do fc a e ao fs t e v e d o r i n gg a n t r yc r a n es t r u c t u r e ， w h i c hi n c l u d e st h eg e n e r a t i n ga n d t r e a t i n gm e t h o d ，t h ec o n t r o l l i n gm e t h o d o nt h e u n i t sa n dm e s h e s a n a l y s i si sc a r r i e do u ti nt h eu s eo fa n s y ss o f t w a r eo nt h e s l e e v es t r u c t u r eo f t h er o t a t i n gp l a t f o r mt h e r e o f a n ds t r e s s ，d e f o r m a t i o na n ds t r a i n e n e r g yi nt h er e s p e c to f d i s t r i b u t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o na t l a so fs t r e s s ，s h i f ta r e a c q u i r e df o rt h ep u r p o s eo f s t r u c t u r es t a t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sa sw e l la s t e s t i n gb o t hi nt h e o r ya n dt e c h n o l o g yi n s t r u c t i o n s t h em a i np o i n t so fi n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： s y s t e m a t i c r e s e a r c hi sm a d eo nt h ec a e as t r u c t u r e m o d e l i n g o ft h e s t e v e d o r i n gg a n t r y c r a n e t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r a t i c m o d e l i n g a n d e x p e r i m e n t a lm o d e l i n gi ni t sm e t h o d a n dt e c h n o l o g yi m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n d s c i e n t i f i cr e a s o n a k f l i t yt om o d e la n dc a l c u l a t et h er e s u l t s t h ea c t u a lm o d e l i n g a n da n a l y s i st h e r e f o rl e a d st ot h ed i s c o v e r yo fs t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rl o a d i n g ， w h i c hp r o v i d e ss t r o n ge v i d e n c ef o rt h ec a u s eo fc r a c ko ft h er o t a t i n gp l a t f o r m c o r r e c tr e p a i rs c h e m ei sp r o p o s e da n d t e s t i f i e d ，e f f e c t i v e l ys o l v i n gt h eq u e s t i o n w i t ht h e1 6 v 3 3 mg a n t r yc r a n er o t a t i n gp l a t f o r ma n de n h a n c i n g t h e s c i e n t i f i c r e a s o n a b i l i t yf o ran e ws t e pi nt h em a n a g e m e n tl e v e lo fh a r b o u rf a c i l i t i e s k e y w o r d s ：g a n t r yc r a n e 、s t r u c t u r e 、c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g a n a l y s i s ( c a e a ) m o d e l i n g 、 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 墓坚里三奎兰堡主堂竺笙茎。 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 天津港第六港埠公司装卸生产急需解决8 # 、1 2 # 门机转台简体开裂的问 题，天津港务局科技设备处也非常重视这一问题，确定该课题为年度的科技 攻关项目，给予立项研究。 1 1 2 课题研究的目的、意义 课题研究的目的就是以科学的理论方法指导和解决工程实际中出现的问 题，同时又通过实践检验和发展了这一理论，使其更具备对实际工程的指导 性，并最终解决装卸型门机转台简体开裂的问题，以避免裂纹的继续发展造 成机毁人亡的重大事故，在确保门机安全运行的前提下，发挥其在装卸生产 中的各项技术性能。该项课题研究的成功实施，充分说明对装卸型门机转台 简体开裂成因的分析是正确的，优化的修复方案是科学、简便、安全、可靠 的，为解决同类型门机的钢结构开裂开创了先例，对制造装卸型门机提出了 结构设计及工艺新要求；另外该项目的实施，使港口安全生产有了科学的保 障，设备维护的合理性和有效性也得到了提高，取得了较明显的经济效益和 社会效益。该课题在研究方法和内容上并不仅限于一种具体的对象，因此对 其他机械设备的管理也有借鉴意义。 1 2 课题研究的国内外现状分析 1 2 i 国外的研究情况分析 结构的裂纹在工程实际中普遍存在，特别是薄壁结构更是如此。通过理 论、实验及数值分析表明，缺陷对结构的承载能力有重大影响 1 。广泛使用 在港口的门座起重机结构是典型的薄壁结构，这种结构的应用面是很广的。 仅就上海港口机械制造厂的情况来看，截止到九十年代初已生产了6 0 0 余台 门座起重机 ，目前已超过1 0 0 0 台。按现在年产4 0 余台的速度，以平均4 0 0 万元一台来计算，每年仅门座起重机的产值就是l 亿6 千万元。全国的年产 量及年产值会更多。统计表明，在港口起重机中金属结构的重量通常占整个 机械重量的6 0 至9 0 ” 。目前港口使用的门座起重机中有相当部分出现了 垄望堡三奎兰堡主堂垡垒奎 _ _ _ _ _ - _ - _ 一。一 不同程度的损伤，给安全生产带来严重威胁。若对这类起重机进行全部更换 是不符合国情的。科学地对这类机械的金属结构进行承载和损伤机理研究， 对其工作状态进行评价，合理延长其使用寿命，仍是当前需要研究和解决的 问题。 综观国外的研究与发展情况，各国各地方与部门己越来越重视这一领域 的研究，但总的说来都是针对固定的分析对象进行研究。国外在检测方法、 仪器研制及相应的软件开发上处于领先地位，高校、研究所和各公司都积极 参与。如h p 公司、k i s t l e r 公司、日本的有关公司等。从文献上看，基于 结构故障诊断的可靠性与安全性评价方面已经成为国际上的研究热点，仅就 近3 年左右的文献来看，就足以反映这一趋势。文献1 9 2 7 通过动力分析及 振动信号提取获得结构的有关参数，开展损伤部位或状态的认定：有的用有 限的测量值来确定结构变化参数和模态参数之间的联系，进一步计算或确定 损伤状态：有的通过灵敏度分析确定结构的阻尼、固频、高阶共振参数、加 速度等作为振动损伤指标，在实验室用诸如悬臂梁等的简易模型寻求结构的 损伤机理；有的寻求新的算法，并与实验结果进行了比较；有的直接通过现 场实测的结果，对海洋平台、大坝、车辆结构等的健康监测( h e a l t h m o n f t o t i n g ) 技术提出改进方法，健康监测的提出已经引起国内外相关领域 研究者的认同和兴趣；在健康监测中有的文献将c a e f 技术( 如结构动力分 析、数值计算和实验) 应用于大型桥梁结构( 以模型研究为主) 的状态分析 中：在这类文献中，灵敏度分析及应用受到较多的关注，有的通过对桥梁结 构的分析，认为在各模态参数中，里茨特性要比其它参数更敏感，更适合结 构的损伤检测分析；有的将有限元分析( 目前已经成为c a e f 的一个主要分 支) 有机的结合进来，首先基于相关分析、敏度分析、参数估计、实验模态 分析，然后建立特殊的有限元模型，用于结构的损伤机理研究；有的通过动 力实验，利用固频矩阵中的灵敏度分析寻求一种算法，来确定结构的损伤状 态；有的通过灵敏度分析认为，在结构的故障诊断中静态位移比频率更敏感。 文献2 8 通过模态实验参数用不完全的数据来进行结构的故障诊断，文中首 先进行了振型扩充，然后在缺陷区进行单元能量咱白商差分( q u o t i e n t d i f f e r e n c e ) ，最后基于模态中频率的灵敏度分析对缺陷进行量化；文中进 行了误差分析，提出了改进实测结果的方法，并在实验室进行了实验验证。 文献2 9 3 l 主要用概率的方法对结构的安全性进行了评价与分析；有的将结 构在交变载荷下累积损伤过程处理成一个离散随机过程，应用马可夫链理论 进行结构的安全性评价；有的以核电站的混凝土结构为例，提出结构劣化的 2 武汉理工大学硕士学位论文 两种状态，一是老龄化、二是冲击：将结构状态用i t o 随机微分方程来描述， 用此评价劣化结构的时相关可靠性：有的将随机问题和模糊问题联合起来研 究，用模糊界和子闽值来定义结构在考虑了强度与载荷的不确定性后的安全 指数，对基于断裂力学的模糊应力强度因子用临界指数来定义，对结构进行 综合的安全性评价。文献3 2 考虑了薄壁结构在几何缺陷影响下的状态及由 此引发的应力集中问题，这方面的研究与本项目申请者以前的工作有许多相 似之处。文献3 3 4 4 重点叙述了人工神经网络、小波等新的智能方法在结构 故障诊断中的应用情况，从文献数量可以看出，近年来国际上已经越来越重 视和关注这些问题的研究了，人工神经网络或小波理论已经从理论研究阶段 逐步走向工程应用阶段，尽管这些应用或刚刚开始或只是初步应用。在这些 文献中，有的涉及到机械、机器人、航空、土木、电气系统等领域的故障诊 断闯题，主要用神经网络进行信号处理、预报和模式识别；有的在健康监测 中用神经网络将识别振动信号数据的变化，从而反映结构状态的变化情况： 有的用于地震中结构的安全性评价、结构状态的识别和控制；有的将遗传算 法和神经网络结合，用于结构故障的识别，其方法是把故障化为一个求极小 化的问题，通过把测量和计算之间的误差极小化来比较是否有故障发生，求 问题的极小化用遗传算法；有的将健康监测中常规振动信号中无法识别的故 障用小波变换来识别，如裂纹周围的应力场及结构响应会紊乱，此时用小波 变化来识别；有的通过实验研究用小波确定结构在不同冲击频率下冲击波到 达的时间差，从而确定结构被冲击的部位。总之，在这些代表性的文献中可 以看出，结构故障诊断已经成为国际上的一个研究热点，各种方法都试图应 用在这一领域，有的已经取得成效；但总的看来，大部分研究仍然处于实验 阶段和理论分析阶段，对回转机械和往复式运动以外的机械结构研究的还很 不深入，对非规则截面和非规则载荷下的缺陷结构对其承载能力影响的量化 描述尚未见到报道；同时对这类缺陷结构的基于故障诊断的可靠性设计与安 全性评价也鲜有报道。 1 2 2 国内的研究情况分析 从国内的文献来看，总的情况与国外是相同的净”一“，无论是理论、 方法还是应用对象。其中基于神经网络、小波等智能化方法的机械故障诊断、 基于可靠性分析的故障诊断、基于结构状态及信息融合的故障诊断、基于模 糊集理论的故障诊断等都已经有较多文献报道。但同样存在的问题是研究大 都处于理论探索或初步应用阶段，应用对象主要是零件、电气件、轴承、回 转机械和律复式运动机械等，对大型结构件的研究显然是不够的。从国内文 武汉理工大学硕士学位论文 献中可以看出，对大型结构件如起重机结构，主要的研究对象是相对简单的 塔式起重机结构，对目前在港口等地广泛、普遍使用的门座起重机及代表国 际先进装卸作业的集装箱起重机的研究几乎是空白。另一方面，国内的失效 分析或故障诊断仍以零部件的断口微观分析为主1 1 6 1 “，也采用失效模式、 影响和危害性分析( f m e c a ) 及失效树分析( f t a ) 。在危害性的定量分析中， 虽然提出了“危害顺序数法”和“危害性综合评分法”，但其评价指标过于 简单。对大型机械而言，失效分析主要以回转机械和往复式机械为主，回转 机械侧重于以摩擦磨损理论为基础的磨粒分析，通过图象识别及信息融合， 达到机械的故障诊断；往复式机械侧重于振动信号的分析处理，通过数学变 换对故障的状态进行判别。然而，对结构的安全性评价尚不多见，特别是可 以应用在工程实际中的综合评价体系就更少。值得注意的是，文献4 提出了 未来机械设计领域的发展趋势，即结构全寿命主动可靠性设计与失效的智能 在线预示方法。它综合利用随机数学、疲劳学、断裂力学、工程力学、仿生 学、智能工程学、优化设计理论和计算机仿真技术等，从经济性和维修性要 求出发，旨在保证产品在预定使用寿命期间内，在规定工作条件下，在完成 规定功能下，将疲劳断裂失效的可能性即失效概率减至最低程度；它将传统 的产品可靠性评价发展为预定寿命下的主动可靠性设计。该文献为国内结构 可靠性与安全性评价研究的指导性文献，它至少表明，开展结构安全性评价 是我国相关领域的研究方向和发展趋势，开展这一领域的研究是十分必要 的。 1 2 3 c a e a 的研究情况 计算机辅助工程分析( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n ga n a l y s i s ，简称 c a e a ) 是目前国内外工程分析领域新兴发展起来的一种借助于计算机把模型 试验、数值分析技术结合起来，考虑面向对象或面向设计类的思想，形成一 种基于知识的综合信息分析方法，具有设计、分析和咨询的多重功能。对大 多数工程分析问题而言，它们都具有多目标、多约束、多参数、多假定及模 糊性的特点，很多问题难于建立结构性很好的数学模型，难以进行定量计算， 因此把传统的单一的有限元计算或数学规划的优化方法用于所有分析问题是 不现实的；若完全依靠实物模型实验，需要消耗大量的人力、财力和时间。 在这种情况下，c a e a 就显示出巨大的应用性、经济性和灵活性，它从对象 类和系统性出发，借助于计算机分析手段，根据不同的工程分析目的与要求， 采用不同层次的分析方法，从而得到可行的满足工程需要的分析结果。 工程分析的任务涉及到工程结构( 如港口机械、大型承运结构等) 的静 4 垄坚墨三盔兰堡主兰垡垒奎 动态、线性与非线性分析，温度场、热传导及热应力分析，磁场分析，流体 场分析，电场分析以及它们之间的耦合分析等。工程分析的目的就是根据分 析任务的多样性和复杂性，以及目标的多重性，从系统的角度出发，以数值 方法为主要手段，通过对工程对象的设计、分析、咨询等，逐步实现基于知 识的综合信息分析及优化。因此c a e a 的主要特点是面向工程对象的集成性、 以数值仿真为主要手段的灵活性、集设计分析咨询于一体的多向性、基于综 合分析产生知识的智能性。 c a e a 的一个重要手段是数值计算与仿真，如前后处理及图形功能很强 的有限元计算、模型实验中各种基于计算机的设备等等。在运用这一手段时， 可视分析任务的多样性而采取多种不同的方法，使分析过程呈现多样性。例 如，对结构布置的合理性进行综合信息分析优化研究时，由于该问题的模糊 性及衡量准则的多样性，无法用精确的优化分析取得，仅用设计者的经验也 不行，此时则可灵活运用数值仿真手段。不同的衡量准则由人类专家提出， 在各种准则下结构布置的状态有数值仿真完成，根据仿真结果再进行归纳、 分析，形成新的知识系统。由此可见，以数值仿真为主要手段的c a e a 有很 强的灵活性。 工程分析的任务涉及到工程结构的动静态、线形与非线形分析，温度场、 热传导及热应力分析，磁场分析，流体分析，电场分析及它们之间的耦合分 析等，工程分析的目的就是根据分析任务的多样性和复杂性，以及目标的多 重性，从系统的角度出发，以数值方法为主要手段，通过对工程对象的设计、 分析、咨询等，逐步实现基于知识的综合信息分析及优化。因此它的主要特 点是面向工程对象的集成性，以数值仿真为主要手段的灵活性、集设计分析 咨询于一体的多样性、基于综合分析产生知识的智能性。 超重机金属结构的形式各异，但它们都是由一些基本受力构件组成的。 这些基本受力构件有：1 ) 轴心受力构件，如门座起重机四连杆臂架的大拉 杆和八撑杆式门架的撑杆，岸壁装卸挢前后架的拉杆和门架的斜撑杆、柔性 支腿等；2 ) 受弯构件，如桥式类型起重机桥架的主梁和端梁，臂架回转起 重机转台等；3 ) 压弯构件，如门座起重机的主臂架，门座起重机的转柱， 龙门起重机和装卸桥的刚性支腿等。 起重机结构形式各种各样，其分析计算模型也是各种各样，但是根据所 选用的单元类型可归纳为以下几种计算模型： ( 1 ) 杆系结构模型全部由杆单元、梁单元组成的计算模型。 ( 2 ) 板架结构模型结构都是由板组成，计算模型主要由板单元组成。 茎坚里三盔兰堕主堂篁笙苎 如箱形结构主梁、支腿等。 ( 3 ) 板杆组合结构模型主要由粱单元和板单元混合组成的计算模型。 ( 4 ) 实体结构如转台结构的回转轴承、某些厚的法兰盘，与其周围结 构相比，不适合简化为板壳单元，需要离散为实体单元。 起重机结构c a e a 的主体是数值模拟，它以有限元分析为核心。从目前 的需求来看，c a e a 分析可着重进行结构设计、基于结构状态的承载能力、 结构的安全性评估的开发。 有限元分析是一项综合性的工作。它包括从结构的物理力学模型抽象为 有限单元计算的数学模型，计算程序的选择或修改，在计算机上的实施，以 及计算前后大量信息数据的处理这样一个全过程。这个过程最后获得的主要 数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构的固有特性( 固有频 率和相应的固有振型) 和动态响应。利用这些数据，就可以对相应的结构进 行相应的分析。分析的目的包括： ( t ) 进行结构的最优方案设计 在进行结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限元法计算。 根据对方案计算结构的分析和比较，按强度、刚度和稳定性要求，对原方案 进行修改补充，使能得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又好，从而 得到较好的结构设计方案。 一 ( 2 ) 分析结构损坏的原因，寻找改进途径 当结构在工作中发生故障如裂纹、变形过大、断面、磨损过大等时， 可应用有限单元法进行计算，研究结构损坏的原因，提出修复方案，找出危 险区域和部位，提出改进设计的方案，并进行相应的计算分析，直至找到合 理的结构为止。 应用中的一些难题，或者说关系到有限元计算成功与否的关键，仍在 于形成的计算模型中各种支撑、连接怎样与实际相符，以及载荷如何处理才 能反映实际情况等等。 传统的工程设计或优化都是根据具体工程问题建立模型( 有限元模型、 用于优化的数学模型) ，考虑各种因素后，求解出所研究问题的相应状态和 参数，这是一个正向过程或单向过程。例如，在结构设计中，已知结构形式、 载荷状况、约束情况后，可用有限元法求出它的内力、位移和应力。c a e a 则把这一过程广义化，它不仅具有正向过程，还具有逆向过程，即根据工程 对象及任务，通过数值仿真对设计结果进行分析、比较，从而得出分析对象 应具有的合理形式或参数。另外，它还可对已使用过的工程设备进行分析， 6 墓望里三奎兰堕圭堂堡丝苎 对它们的状态作出评价，提出咨询意见，使工程分析呈现多向性的特点。比 如，在结构设计中，根据用户提出的条件( 如重量指标、强度、刚度等) 通 过数值仿真提出在满足用户要求条件下的合理的结构构造及截面分布等；又 比如对一个正在使用的机械设备能否进行改造后使用、如何进行改进，提出 咨询意见，通过c a e a 对该机械整个工作循环进行数值仿真来解决这一问题。 c a e a 可按如下步骤进行： ( a ) 根据分析对象的特性及分析目的的要求，建立便于修改和具有一定 通用性的分析模型。这一步是理论建模的关键。 结构模型化的过程由以下三部分组成： 1 ) 从实际工程抽象出力学模型： 2 ) 从力学模型出发建立有限元模型： 3 ) 生成有限元分析数据文件。 这是结构模型化的基本任务。从结构模型化对象来看，存在两种情况， 一是简单结构( 如杆、梁、板、膜等) 的模型化：二是组合结构的模型化。 前者是后者的基础。 同样的工程结构，对应于不同的分析目的其模型就不一样。如装卸桥 结构，在进行整体的静动态分析时，可建立杆系结构；而研究其中的机房平 台结构时，可建立板壳实体结构模型。 ( b ) 根据实物模型或现场实测建立实验模型，以验证分析模型的可行性。 实物模型可以是按实际结构成比例缩小的饿模型，这其中要考虑到模型的相 似性问题。( 这一步可根据实际情况取舍，若已建立了相似对象的知识库， 则可省略。另外，这一步可与第一步的顺序互调) ( c ) 根据已有的专家知识或规则进行初步分析。 ( d ) 对照分析目标的要求，修改初步分析，进一步归纳、概括、总结、分 析结果来丰富已有的知识库，这一步称为中间分析。中间分析可进行多次。 ( e ) 分析完成，输出所需要的各种分析结果。 以上步骤是一种最基本的概括，实际分析要复杂一些，也可灵活一些。 1 2 4 基于断裂力学的结构裂纹分析 从理论和实验的体系上研究金属的裂纹问题，始于1 9 5 7 年g 。r i r w i n 等人提出的应力强度因子概念，1 9 6 3 年p a r i s 提出了著名的公式d a d n = c ( k ) ”式中d a d n ，即裂纹生长速率，c 、i n 为材料常数，k 为应力强度因子幅 值。 与此同时，研究人员开始注意到短裂纹行为的特殊性。所谓短裂纹，是 7 武汉理工大学硕士学位论文 指其长度相当于材料细观组织单元( 晶体尺寸) 尺度的裂纹，对这类裂纹， 适于长裂纹的线弹性理论不再适用，其行为不能用p a r i s 公式描述一“。 对于弹塑性材料，由于其裂纹尖处塑性区范围较大，不能用线弹性断裂理论 描述，只能用弹一塑性理论分析。w e l l s 首先提出了c o d 法( 即测量裂纹尖 端张开度) 来分析裂纹，这种方法虽然测量简单，并由此设立的两个模型公 式：b c s 、w e l l s 公式在压力容器类结构中得到应用，但是由于c o d 所得到 的公式为经验公式，所以精确分析尖端应力、应变场就显得无能为力，于是， 1 9 6 8 年r i c e 提出了j 积分概念，j 积分引入的是能量守恒定律，它虽是一 个定义明确、理论严密的应力，应变场参量，实验测定较容易，但是其精确 解难以得到，故在实际工程应用中受到诸多限制o “。 7 0 年代，人们发现，静态地考察裂纹尖端的应力场不能完全解释裂纹引起 的饿快速断裂，从而又发展了断裂动力学，它在断裂力学基础上引入了时间 参数。它分析范围包括裂纹的快速起裂、扩展、裂纹快速扩展的速度特性， 快速扩展的方向与轨迹，快速扩展的止裂等一“。 按断裂力学理论，对于高强度材料( d 。 1 0 0 0 、1 5 0 0 m p a ) 及部分中强度 钢( d 。 5 0 0 1 0 0 0 m p a ) ，由于其裂纹尖端的塑性变形区较小，故其裂纹研究 通常用线弹性断裂力学求解，而对于低碳钢及焊接部位，由于其裂尖处存在 着较大面积的塑性变形，故其解只能用弹塑性断裂力学得到h “。除这些材 料而外，还有大量的具有各自特色的材料，如陶瓷、玻璃、延展性较大的铝 及其合金等材料，它们的断裂特性有其各自的特点。1 9 9 6 年，日本的n e g a m i 和s k i t a o k a 研究了轴承合金钢( j i s g 3 3 1 i s k - 5 ) 在弯曲和扭转( i + i i i ) 载荷 作用下裂纹的扩展特征，在做了大量试验之后，他们认为，裂纹扩展与板材的 厚度有关4 ；1 9 9 5 。1 9 9 7 年沙江波等研究了a i 单晶和l y ，：材料裂纹的j 积 分与c o d 之间的关系问题，认为随i i 型分量增加，j 及d 值皆增加u t - z 8 1 ，不 足的是，仍只能定性说明实验试件。对这类材料裂纹的研究大多从实验方面 入手，观察和拟合出某些具有共性的特性，再得出相应的裂纹近似描述方程 以求裂纹的特征解。这类研究需要完备的实验手段。 对于结构上已出现的长裂纹，由于受种种条件的限制( 如人们无法接 近) ，而无法知晓，因而如何识别已有的长裂纹也显得比较重要，这种识别 目前有以下几种方法：a 无损控伤；b 模态分析法；c 振动识别法。这三种 方法中，由于实施无损控伤法的费用较高，其使用受到限制。模态分析法虽 也是通过测量结构振动而实施，但它要求求解比较复杂的饿质量、刚度矩阵， 且需要对结构进行建模故其精度大受影响，从而导致实用性减小。振动识别 武汉理工大学硕士学泣论文 虽也不太成熟，但由于它操作简单，识别的参数易于得到而有逐渐兴起之势 4 9 - 5 2 ，从最新的报道来看，振动识别裂纹的研究开展得比较多。 d c z i m m e r m a n ：”1 等用振动方法研究了一个四面形桁架裂纹问题；东北大学 原培新等”4 1 通过g r e e n 函数分析了轧钢机万向轴裂纹的振动信号，虞和济 等”副用a r m a 模型分析了钢筋混凝土梁振动信号分析了悬臂梁的裂纹问题； k h s c h l u m s - ”3 研究了裂纹梁振动信号测量的分辨率问题。 对机械结构裂纹的监测研究也有相关的报道，这方面的研究包括对裂纹监测 方法、监测仪器等，并将这种监测称之为结构的“健康检测”，由于裂纹的 “健康检测”是一个反问题”，对它的研究比较困难，刘新民等对测量裂 纹扩展的敏感元件材料的特性进行了研究”，方志钦等研制了一种疲劳裂 纹扩展柔度法测量系统【5 。 对结构而言，产生疲劳裂纹后，并不是迅速扩展，而是稳定一段时间， 当新的起裂条件具备后，才继续扩展。据报道，对起裂控制目前已在压力容 器、管道的以下两方面取得成效；5 9 - 6 0 ： a 对某一位置已存在一定尺寸裂纹的结构，控制其最大的载荷。 b 对己给定载荷的结构，确定不发生断裂的最大裂纹尺寸，为结构检测周期 提供依据。 不难看出压力容器、管道都是受力比较清楚的结构件，在受力比较规则 的情况下，动态起裂与止裂的条件比较容易确定，而对于许多受力经常变化 的结构件，由于裂纹的动态参数( 动态应力强度因子、动态能量释放率等) 不容易给定，故动态起裂与止裂在工程中受到了相当大的限制，目前，还有 许多问题有待研究。 从文献来看，对裂纹的动态扩展的理论及实验研究还在不断深入。李玉 龙等采用测试裂纹快速扩展速度的断裂丝法- “ ，用记忆存储示波器和计算 机自动数据采集和记录系统及自制的高速裂纹扩展测试仪测量了3 0 0 m n 钢材 料的动态裂纹扩展速度。k a l t h o f f ，d a l l 用焦散线 6 2 1 或动光弹m 3 等光学方 法直接测量动态应力强度因子随时间变化的过程；李玉龙阳，等用冲击响 应曲线的方法测量动态断裂韧性。 由于对裂纹的研究需要大量的实验来配合，其实验投入比较大，因而对 结构断裂问题的研究重点仅局限于使用一些特殊材料的重要领域，如发电机 组、飞行器等；另一方面，由于断裂力学本身发展得并不完善，特别是弹塑 性力学在理论上还没有取得突破，对裂纹的研究大多局限于对高强度钢在线 弹陛范围内进行分析。而工程结构大多为低碳钢，其弹塑性较好，受力情况 9 武汉理工大学硕士学位论文 复杂，且普通的工程结构( 如机械承载结构) 造价较低，其裂纹问题处于理 论研究者们研究范围之外，因而，上面所述的对裂纹问题的诸多研究成果极 少有能够直接用于工程裂纹的。长期以来，对工程结构的分析仅限于强度、 刚度及稳定性方面的分析。6 4 1 ，对裂纹问题也只能从定性的角度进行简单 的分析说明阳”】。随着工程结构产生裂纹的现象日益增多，对工程结构裂 纹问题的研究已经逐渐开展 5 。“，但只是限于受力较清楚的压力容器。总 之，这方面的研究工作开展得十分有限，还需要力学工作者与工程技术人员 的不断合作和努力。 1 2 5 结构损伤修复技术分析 结构损伤修复应考虑的一般性原则 ( 1 ) 在裂纹长度不超过被损伤构件截面尺寸的5 以上时，应尽可能不采用 焊拉方法进行修理，轩为焊逢的存在可能使应力集中系数急剧增大。而推荐 使用钻止裂孔的方法。在对裂纹状态进行周期性观察的条件下发现，不用对 裂纹再予以补焊就能使裂纹停止扩展。如果在周期观察时发现裂纹端部在继 续扩展，并超出止裂孔的范围，那么起重机应停止工作，直到采取适当的修 复手段消除裂纹的继续扩展为止。 ( 2 ) 在北方地区，由金属冷却脆性引起的裂纹应尽可能迅速堆焊修复，以避 免可能的自动发展。 ( 3 ) 在发现分化( 轧制扳层化现象) 时，为了揭示其在板厚中的分布可用细 凿刺入扎件外表面直到碰到坚实的金属，故障检验应考虑到分化时板截面的 削弱。如果构件还具有工作能力，所有的分化表面应清除，在金属中的形成 凸尖角应刨光。 ( 4 ) 在设计、修理和焊接的构造时应选择具有最小应力集中的方案。 ( 5 ) 在进行焊接修理时，应在考虑等强度原则前提下，采用碱性焊条。 ( 6 ) 在可能的情况下，应尽可能采用对接焊缝。但对于型材，如果采用直接 对接的话，的较大的应力集中，因此不推荐采用直接对接的方式。 ( 7 ) 在采用对接焊缝时，如果原有焊缝是经过打磨处理的，则推荐修理后该 处焊缝也进行打磨处理。 ( 8 ) 在进行对接焊接时，坡口形状和间隙应符合有关国标或船标中对接焊缝 的要求，并应在修理方案图纸上标注引出垫板的所有尺寸( 如果需加引出垫 板的话) 。如果不需打坡口，则用于对接的两块板厚的厚度差也应符合有关 标准的要求。 ( 9 ) 角焊缝一般在焊缝截面上应具有凹或平整的截面形：状，角焊缝的高度a 1 0 武汉理工大学硕士学位沦文 不应超过0 7 s ( s 为用焊缝联接的两块板中较薄板的厚度) 。如果s 1 5 ， 允许采用两面角焊缝，否则两焊缝之间的距离应满足i 2 s 。 ( 1 0 ) 对于箱形截面构件，腹板和翼板的局部加强不亢许采用焊接垫板。 ( 11 ) 允许用焊接垫板整体加强粱的翼板和桁加强的型材截面杆件。 ( 1 功在构件腹板上添置补充刚性肋时不推荐把其放置在距离工厂对接焊缝 或者装配对接焊缝1 0 0 m m 以内。刚性肋的自由度端的制造，在肋的端部应从 肋的两边和端部焊牢。推荐打磨端部焊缝，以形成向母材平滑过渡。 ( i 3 ) 为了增强局部稳定性面在构件腹板上添置补充剐性肋时，如果附近有 生产厂家在生产时添加的对接焊缝，则应将刚性肋放置在距对接焊缝 l o o m m 一2 0 0 咖阻外刚性肋的自由端的弧度制造，并推荐打磨焊缝，以形 成向母材的平滑过渡。 ( 1 4 ) 在借助于嵌入物的方法更换被损伤段时，沿封闭裂e l 的对接应采用所 塑性较高的焊条( 可略低于母材强度) 。 ( 1 5 ) 对没有扩展到外边缘的疲劳裂纹构件的修理用沿裂纹的端部钻孔的方 法，同时应采用反向焊补的对接焊缝施焊或者采用焊缝沿裂纹深度整个焊透 的单面焊接的方法完成，在焊补裂纹对补钻的孔不补焊( 如果需要密封，止 裂孔可用、油灰填充) 。如果按具体条件不能按上述方法实旌，则作为例外， 允许用角缝接的垫板覆盖。此时，焊缝可以不焊补，但必须在焊缝端部钻孔。 ( 1 6 ) 推荐用刚性肋补充加强带有铰支座和除承受径向载荷外还承受轴载荷 腹板上的已补焊环形裂纹。给出了补焊环形裂纹后，再用刚性肋补充加强。 ( 1 7 ) 在梁的腹板和臂架翼缘板上，刚性肋端部附近产生局部裂纹时应该加 工刚性的端部。 ( 1 8 ) 在修理节点板与弦杆联接焊缝中的裂纹时，推荐切除节点板的一部分， 并打磨切口表面和插入板的边缘。 裂纹修理时的技术条件： ( 1 ) 修理工作( 特别是在采用焊接方法进行修理) 应在工程技术人员的监督 下进行。 ( 2 ) 对重要结构件的焊接修理，应安排通过了焊接等级考试的熟练工作进 行。 ( 3 ) 所使用的焊接材料应能保证良好的质量。 ( 4 ) 根据裂纹故障的特点和施工条件，金属结构的修理可就地( 不拆卸构件 或部件) 进行，或者在拆卸状态下，在专业修理厂或者露天进行。 ( 5 ) 焊接准各件的切割允许采用气割或者机加工切割。如果采用气割，则边 墓望里三奎兰堡主兰垡笙茎 缘粗糙度不应超过l 咖，在超过1m m 时，可进行打磨以保证边缘足够平滑， 但不得采用焊补的方法。 ( 6 ) 焊接工作最好在环境高于0 。c 时进行。在露天工作时，焊接工、焊接地 点以及被焊工件应该避雨、避雪和防风。 ( 7 ) 在钢材温度低于一j 时，焊接应从头到尾不间断地进行( 除了更换焊条 和必要的清除焊缝以外) 。 ( 8 ) 在施焊前，对接焊缝的工件应打磨平滑，使具有金属光泽：焊后，可用 手工气焊或气动扁铲修整焊缝边缘；气割后，应打磨切口平面a ( 9 ) 与焊接构件相接触的表面应去除锈蚀、污物、油渣和毛刺。有冰或水覆 盖的表面应进行预热和风干。 ( 1 0 ) 允许采用手工焊进行重要结构构件板的对接。在露天作业时，条件允 许可采用自动焊。 ( 1 1 ) 对接焊缝的首尾应引出到引出板上。引出板的表面应事先经过处理。 引出板用压板固定，应焊后用气割割掉。 ( 1 2 ) 在采用双面焊时，工件应根据厚度打坡口，焊缝应焊缝。施焊前必须 请根。 ( 1 3 ) 焊接时禁止在构件腹板。翼缘板母材上、焊缝边界处引瞳弧和把弧坑 引到上述部位。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 研究内容及研究的关键问题 a 、研究内容： 根据多年的实际调研，从理论上系统分析了门机转台简体开裂的原因。 以天津港第六港埠公司m 1 6 - 3 3 型门机为例，有针对运用有限元法an sy s 软件，对装卸型门机的转台筒体结构分析和建模，确定装卸型门机的实际 工况和载荷，对转台简体结构进行有限元计算与分析，确定其应力分布情况 和结构裂纹的敏感区，并根据分析结果对裂纹修复方案进行论证，得出优选 的修复方案及施工工艺，把科学的钢结构裂纹修复理论和解决实际问题有机 的结合起来，彻底消除门机裂纹这一港口安全生产的隐患，更好地提高港口 装卸设备管理和使用的科学性。 一结构分析的有限元法 ( 1 ) 有限元法的基本思想 ( 2 ) 有限元法的建模要求 1 2 武汉理工大学硕士学壶论文 ( 3 ) 网格划分 ( 4 ) 支承和载荷的处理 ( 5 ) ansys 软件简介 基于a nsys 的转台筒体结构开裂成因分析 ( 1 ) 研究对象的基本情况 ( 2 ) 转台简体的建模 一 单元类型的选择及网格划分 有限元模型的基本统计 ( 3 ) 支承及载荷处理 ( 4 ) 计算结果分析 ( 5 ) 转台筒体结构开裂成因分析的基本结论 臂架支承箱体强度不够、设计时存在一定的缺陷。 制造过程中焊缝的质量不高。 回转支承轴承上、下法兰支撑平面不平。 修复方案及施工工艺 ( 1 ) 修复的方法： ( 2 ) 传统修复方法的优选 ( 3 ) 裂纹修复施工工艺： ( 4 ) 修复后的使用情况 b 、研究的关键问题： ( 1 ) 如何进行装卸型门机转台筒体结构的有限元建模与分析，从而得到应力 分布云图及裂纹敏感区。 ( 2 ) 如何应用分析结果，得出门机裂纹修复方案的可行性论证。 ( 3 ) 怎样优选出门机转台筒体裂纹修复方案及施工工艺。 1 3 2 研究的主要技术路线 门机的主要工况及使用情况，出现裂纹的位置及分布发展状态。 对转台结构进行有限元计算与分析，确定应力分布云图及结构裂纹敏感区， 进行裂纹成因的分析。门机转台简体裂纹修复方案的技术论证与优选。 门机转台简体裂纹修复的旖工工艺。总结修复理论与实际结果的一致性，验 证该项课题研究的实际效果和创新意义。 1 3 3 研究成果及创新点 预计通过这一课题研究，可以提供一套装卸型门机钢结构裂纹成因的分 武汉理工大学硕士学位论文 析方法，给出了门机钢结构应力分布云图，有利于港口装卸机械设备的科学 检测与维护，并最终给出优选的裂纹修复方案。创新点就在于首先建立了对 装卸型门机转台筒体结构的有限元建模与分折，并得到了应力分布图及裂纹 敏感区：其次应用分析结果，得到了裂纹修复方案等可行性论证：最后，又 给出了解决该类型门机裂纹的修复旎工工艺，可以说是为治理该类门机的钢 结构开裂开创了先例，对今后同类机型钢结构开裂的修复及新造同类结构门 机提供了设计、工艺要求，均有良好的借鉴价值。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章结构分析的有限元法 有限元”在本世纪末年代首先被用与飞机的结构强度设计中。1 9 6 0 年， 美国的r 。w 。c l o u g h 在应用位移分