（机械设计及理论专业论文）铸造起重机金属结构随机疲劳研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i i j l l l l j l l l l lj 1 1 1 1 1 f l l l fl l l l i j j i l l l l j l l i l l j l l l 4 y 17 3 9 4 8 7 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：衅日期：坐竺赴阂 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( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 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学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 一 一 一 童立 巫板一口三 - 爝燃黼 麟 麟撕襻教文导 榭惜鼎 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 铸造起重机是桥式起重机的一种，是钢铁厂生产线上的关键设备，用于运输高温液态 金属。铸造起重机工作环境极其恶劣，疲劳破坏事故时有发生。为保证铸造起重机的安全 运行以及延长其无故障使用寿命，有必要全面了解其桥架内、外主梁应力状态及载荷谱， 根据载荷谱和内、外主梁材质的力学性能，科学地对内、外主梁工作寿命作出j 下确预测。 本文以宝钢二炼钢厂现役4 5 0 t 8 0 t 四梁六轨铸造起重机为研究对象，采用有限元分析 结合现场实测的研究方法，对其桥架结构进行了应力分析。并对跨中腹板焊缝采用“板到体 子模型”方法进行了精细分析，得到焊缝处的应力分布状况。分析结果表明：四梁六轨铸造 起重机桥架的内主梁跨中是应力和变形最大的部位，当主小车满载位于桥架跨中时，内、 外主梁跨中以及端部焊缝的最大剪应力均已超过了焊缝的疲劳极限应力，是桥架的危险部 位。 根据跟踪测试铸造起重机桥架在实际工况下的应力数据，结合有限元计算结果，编制 出桥架各危险部位的载荷谱。为计及低于疲劳极限的应力循环对桥架寿命的影响，对材料 的p _ s n 曲线进行修正，并采用修正的m i n e r 线性累积损伤法则对桥架内、外主梁跨中及 端部等危险部位的焊缝寿命进行了计算。计算结果表明，内、外主梁端部主腹板焊缝的疲 劳寿命都较低，应经常重点检查这些部位的焊缝。 本文所采用的有限元分析结合现场实测的研究方法，对于铸造起重机的疲劳分析以及 寿命估算均具有很好的实用性。 关键词：四梁六轨铸造起重机；焊缝；有限元；子模型；疲劳寿命 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a d l ec r a n ei st h ek e ye q u i p m e n to ft h ep r o d u c t i o nl i n ei ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s e sw h i c h i su s e dt ot r a n s p o r th i g h - t e m p e r a t u r el i q u i dm e t a l f o rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fl a d l ec i a n ei s e x t r e m e l yb a d ，f a t i g u ef a i l u r ea c c i d e n t sh a p p e nf r e q u e n t l y t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt of i n do u t t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h el a d l ec r a n ea n de s t a b l i s ht h ed a n g e r o u ss i t e sl o a ds p e c t r u mi no r d e r t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o na n de x t e n dt h es e r v i c el i f eo fl a d l ec r a n e a c c o r d i n gt ot h el o a d s p e c t r u ma n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，f a t i g u el i f eo fl a d l ec r a n ec a r lb ee s t i m a t e d c o r r e c t l y t h i sp a p e rt o o ka4 5 0 t 8 0 t4 b e a m s 6 t r a c k sl a d l ec r a n eo ft h es e c o n ds t e e lp l a n to f b a o s t e e lf o rs u b j e c ti n v e s t i g a t e dt oa n a l y z es t r e s so fi t sb r i d g es t r u c t u r ew i t ht h er e s e a r c h m e t h o dc o m b i n i n gf e m 诵t hf i e l dt e s t i n g b a s eo ni t ，”s h e l l t o - s o l i ds u b m o d e l ”m e t h o dw a s u s e dt of i n e l ya n a l y z eh i g hs t r e s sa n ds e v e r es t r e s sc o n c e n t r a t i o nr e 西o i 卜一w e l d si nm i d s p a n o ft h em a i ng i r d e rt oo b t a i ns t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h i sa r e a i ti sf o u n dt h a ts t r e s sa n dd e f l e c t i o no f t h ei n s i d em a i ng i r d e rr e a c ht h em a x i m u m w h i l et h em a i nh o o ki sf u l l yl o a d e da tm i d - s p a n , t h e m a x i m u ms h e a rs t r e s so fw e l d sa tm i d s p a na n dt h ee n dw e bh a de x c e e d e dt h ef a t i g u el i m i to f t h em a t e r i a l ，w h i c hi st h ed a n g e r o u sp o s i t i o no ft h el a d l ec r a n e a c c o r d i n gt ot h el o a ds p e c t r u me s t a b l i s h e db yt h ec o m b i n a t i o no ff i e l dt e s ta n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，f a t i g u el i f eo ft h ed a n g e r o u ss i t e ss u c ha sw e l d sa tm i d - s p a no ft h em a i ng i r d e r a n da tt h ee n dw e bw e r ee s t i m a t e db ym o d i f i e dm i n e rt h e o r e m t h ep s n6 1 1 r v eo fm a t e i a lw a s m o d i f i e ds oa st ob r i n gt h ee f f e c to fs t r e s sc y c l eb e l o wt h ef a t i g u el i m i ti n t oc o n s i d e r a t i o n i ti s f o u n dt h a tf a t i g u el i f eo fw e l d sa tt h ee n dw e ba r el o wa n dt h e s ea r e a ss h o u l db ec h e c k e d f r e q u e n t l y o n em e t h o du s e di nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gf e mw i t hf i e l dt e s t i n g , a p p l i c a b l ef o rn o to n l y f a t i g u ea n a l y s i sb u ta l s ol i f ee s t i m a t i o no ft h el a d l ec r a n e k e y w o r d s ：4 - b e a m s - 6 一t r a c k sl a d l ec r a n e ；w e l d ：f i n i t ee l e m e n t ：s u b - m o d e l ；f a t i g u el i f e 1 4 本文的主要工作。6 2 铸造起重机载荷谱的采集。8 2 1 测试方案。8 2 1 1 应力测点位置及测试方法8 2 1 2 测试工况10 2 2 测试信号分析11 2 2 1 静态应力值。l l 2 2 2 动态应力测试曲线1 1 2 2 3 测点的载荷谱1 4 2 2 4 测试结果分析15 3 基于有限元的铸造起重机桥架静力分析1 6 3 1 铸造起重机桥架结构有限元模型的建立1 6 3 1 1 单元选择一1 7 3 1 2 边界条件18 3 1 3 计算载荷1 9 3 1 4 材料物理特性2 0 3 2 各种工况下的计算结果2 0 3 2 1 空载小车位于司机室一侧端梁( 测试零点) 2 1 3 2 2 主小车满载( 4 5 0 t ) 位于跨中位置2 4 3 2 3 主小车满载位于司机室一端2 5 3 2 4 兑铁水、扒渣，副钩使铁水罐倾斜工况2 7 3 3 内主梁跨中焊缝子模型2 8 3 3 1 子模型应力分布2 9 3 3 2 母材应力分布3 0 3 3 3 焊缝应力分布3 0 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 4 验证切割边界3l 3 4 有限元计算结果分析3 l 4 铸造起重机载荷谱的编制3 3 4 1 编制载荷谱3 3 4 2 母材应力谱3 4 4 3 焊缝应力谱3 5 5 疲劳寿命分析3 8 5 1 疲劳累积损伤理论3 8 5 1 1 线性累积损伤理论3 8 5 1 2 非线性累积损伤理论3 8 5 2 疲劳设计方法3 9 5 3 材料的p s - n 曲线4 l 5 3 1 母材的p s n 曲线4 l 5 3 2 焊缝的p s n 曲线4 2 5 4 疲劳寿命估算4 3 5 4 1 母材疲劳寿命。4 4 5 4 2 焊缝疲劳寿命4 4 5 5 小结4 5 6 总结与展望。4 6 6 1 总结4 6 6 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢：51 攻读硕士期间发表论文5 2 面设备的阻碍。桥式起重机是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。 铸造起重机是桥式起重机的一种，是钢铁厂生产线上的关键设备，用于运输高温液态 金属。在炼钢车间，铸造起重机是使用最为频繁的重型设备之一，其中主小车用于提升钢 ( 铁) 水包，n d , 车用来翻转钢( 铁) 水包或做其他辅助的搬运工作。铸造起重机工作环 境极其恶劣，尤其是吊运铁水包的铸造起重机在兑铁水时直接受到炉口火焰烘烤；其安全 性能要求高，在吊运高温液态钢( 铁) 水过程中，若出现齿轮、接手或轴损坏等情况，将 引起钢包倾斜或钢包坠落，造成重大安全事故【l j 。为保证其安全性，需要布置很多设备来 保证其安全运行，从而导致其结构和安全保障措施相对复杂。 随着我国冶金企业生产规模的不断扩大，自动化程度不断在提高，作为液态金属搬运 重要设备的铸造起重机在现代化生产过程中起着越来越大的作用。冶金行业不断向大型 化、重型化、自动化方向发展，对铸造起重机在性能、安全性方面提出了更高的要求【2 】。 一方面要求易于操作和维护，以便在发生突发事故时能快速进行处理，避免因为停产造成 重大经济损失；另一方面对可靠性和安全性要求很高，这就需要设置各种安全保障措施以 及操作规程，使事故发生率降到最低；另外，铸造起重机还必须具有优异的耐久性，必须 保证其无故障使用寿命【”】。 根据国外的统计，机械零件的破坏5 0 - - 9 0 为疲劳破坏【5 1 。如轴、曲轴、连杆、齿 轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件和结 构件的破坏方式都是疲劳。特别是近3 0 年来，随着机械向重载、高速和大型方向发展， 机械的应力越来越高，使用条件越来越恶劣，疲劳破坏事故层出不穷。 1 2 课题的来源及研究意义 宝钢二炼钢厂4 5 0 8 0 t 铸造起重机是宝钢二炼钢厂原料跨、浇注跨的铸造起重机，其 跨度为2 1 4 m 。该起重机由德国m a n 公司和太重合作制造，采用四梁六轨的分布形式， 即主小车的车轮在外主梁的两根轨道和内主梁的两根轨道上运行。该起重机在从1 9 9 8 年4 月开始至今担负二炼钢厂全部产能的铁、钢水吊运工作，长期在高温环境下从事繁重的工 作。在生产过程中，起重机往往又需要吊重包等待。由于金属疲劳、高温蠕变等原因，使 其桥架的寿命短于一般金属结构。一旦该机内、外主梁失效，将造成整个炼钢厂停产和人 员伤亡的重大损失。1 9 9 2 年武钢第二炼钢厂1 2 5 4 0 t 铸造起重机曾发生主梁垮塌事故，致 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 使全厂停产一周，造成巨大损失。宝钢二炼钢的4 5 0 8 0 t 铸造起重机从1 9 9 8 年4 月开始投 入，已运行1 2 年，经常满负荷甚至超负荷运行，近年来也常发生一些故障和不同程度的 上拱度超差。为了保证该起重机安全运行，有必要全面了解其桥架内、外主梁应力状态及 载荷谱，根据载荷谱和内、外主梁材质的力学性能，科学地对内、外主梁寿命作出正确预 测。 4 5 0 8 0 t 铸造起重机一台价值7 0 0 0 万元左右，如能较准确地预测其安全寿命，合理维 护使用，使其寿命延长3 5 年，则可节约经费上千万元。 该起重机是炼钢厂的关键设备，只有该起重机安全运行，才能使炼钢生产顺利进行。 掌握了该机内、外主梁的应力状况和安全寿命，就可采取相应措施，保证该起重机安全运 行，从而确保炼钢生产顺利进行。由此而产生的经济效益则更巨大。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 疲劳研究进展 疲劳是材料、零件和构件在循环加载下，在某部位或某些部位产生局部的永久性损伤， 并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象【6 】。疲劳问题的 研究，可追溯到1 9 世纪初叶，经过近二百年来的不断探索，再加上电子显微镜和扫描电镜 等高科技设备的使用，使人们对疲劳微观裂纹的萌生和扩展等微观机理方面有了更为清 楚、全面的认识。疲劳分析的核心问题可归结为：如何真实地模拟结构或零件在特定的载 荷环境下，结构内部的应力、应变、刚度变化：并最终借助一定的方法，估算出结构或零 件的剩余寿命，给工程实际改进提供依据。由于疲劳破坏往往发生在零部件的截面突变处， 破坏处的名义应力不高，低于材料的强度极限和屈服极刚7 1 。疲劳破坏有以下特点： ( 1 ) 疲劳破坏是在循环应力作用下的破坏； ( 2 ) 疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数； ( 3 ) 零件或试样在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断 裂； ( 4 ) 疲劳断口上明显的分为两个区域( 平滑的疲劳区和凹凸不平的失稳断裂区) 。 通常，金属零部件的疲劳破坏过程可分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三 个阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻 留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。随着应力循环 作用，裂纹沿着与主应力约成4 5 0 角的最大剪应力方向扩展，当裂纹扩大到使物体残存截 面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。发生失稳断裂时的裂纹尺寸 称为临界尺寸j 。 二次世界大战以来，国外的疲劳研究工作发展迅速，由于在疲劳研究中应用了电子显 微镜和扫描电镜，对疲劳裂纹的萌生与扩展机制有了进一步的了解；在疲劳试验中已经广 泛使用概率统计方法进行试验和数据处理；在疲劳设计中也开始利用概率统计方法来进行 疲劳可靠性设计。断裂力学的不断发展给疲劳裂纹扩展问题的研究提供了一种新的有效方 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 法损伤容限设计法。另外，在对提高零部件疲劳强度的强化方法特别是表面冷作方法 也进行了很多研究。但是由于疲劳计算只能近似地估算零部件的疲劳寿命，在精确确定零 部件的疲劳寿命时仍然得依靠疲劳试验【9 1 0 j 。 国内在疲劳研究方面主要集中在科研部门、高等院校和工厂，在疲劳裂纹扩展速率方 面的工作做得较多，在疲劳试验数据处理方面取得了一定的成绩：在疲劳机制、疲劳失效 分析、典型零部件的疲劳强度、腐蚀疲劳、接触疲劳、低周疲劳和表面强化方面也做了很 多研究。但是在一般的机械设计中基本上仍处于静强度设计阶段，只在轴和曲轴等少数零 件中使用抗疲劳设计方法。 1 j 2 铸造起重机的特点 铸造起重机是钢铁企业冶炼车间的主要起重运输设备，直接参与冶炼过程中液态金属 的转运、浇注、兑铁水等作业【l 。其中主小车用于吊运钢包或铁水罐，副小车进行翻转钢 包或铁水罐等辅助工作，为了扩大副钩的使用范围和更好地为冶炼工艺服务，主、副钩分 别布置在各自有独立小车运行机构的主、副小车上，并分别沿各自的轨道运行。铸造起重 机的工作特点如下： ( 1 ) 重载： ( 2 ) 工作频繁； ( 3 ) 长时间经受来自钢( 铁) 水包内的铁水、钢水的幅射，所以对起重机的防幅射 要求高。 目前国内设计、制造2 5 0 t 以下铸造起重机的技术条件已经很成熟，一般都采用四梁四 轨、单层主小车结构，主起升机构有两种形式【1 2 】：长减速机或行星减速机。从国内外看， 3 2 0 t 以上超大型铸造起重机主要有三种形式：第一种为四梁四轨，整体主小车，主起升机 构采用长减速机；第二种为四梁六轨，主小车分上下两层，主起升机构采用三台减速机； 第三种为四梁六轨，主小车分成两层，主起升机构采用长减速机。 本文研究对象属于四梁六轨( 行星减速机) 铸造起重机，其结构特点为：桥架由两根外 主梁和两根内主梁通过柔性铰接端梁联接，此结构安装较为方便；内主梁外侧和外主梁内 侧上设置四根轨道承载主小车，两根内主梁内侧设置两根轨道承载副小车；主小车采用上 下两层小车结构，上部小车和下部小车采用球铰接联接，上部小车上布置主起升机构，下 部小车上设置定滑轮组，主起升机构采用三台减速机，由两台电动机驱动一台行星减速机， 再通过两台二级减速机驱动两个双联卷筒。该铸造起重机的结构简图如图1 1 所示。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 i l 出 、h ? * _ ! 日 _ i 掣 ，i ； j i 1 bj； 眶l 瞎 带 fa ( a ) 俯视图( b ) a 向视图 1 内主梁；2 - 夕h 土梁：3 主小车；4 副小车；5 - 主起升吊 图1 1 四梁六轨铸造起重机结构简图 该结构形式的优点【1 3 】： ( 1 ) 主梁受力情况得到改善。相对与四梁四轨铸造起重机，采用四梁六轨，主小车 由两根主梁承担的力变为四根主梁承担，同时主小车采用上下两层小车，两台下部小车共 有1 6 个车轮，相比于四梁四轨只有8 个车轮，轮压减少了5 0 ，而且由于内、外主梁间 采用柔性铰接端梁联接，主梁受到的局部挤压应力相应降低，主梁的受力得到优化，同时 外主梁由于承重的减少，截面尺寸和自重减少，结构更为优化。 ( 2 ) 主小车受力合理，主要承载梁由两根变为四根，主小车承载车轮数量也相应增 多，集中轮压减小，这样又减小了因集中轮压产生的局部挤压应力，使得主小车载荷分布 更为均匀合理。 ( 3 ) 维护和检修方便。载荷分布的合理性使得每个减速机的传动比、中心距和外形 尺寸都属于常用减速机范围，尺寸小，重量轻，方便维护和检修。 ( 4 ) 运行方案优化。主起升机构由两台电机驱动一台行星减速机，通过行星减速机 驱动二台次级减速机，当其中任一台电机驱动系统出现故障时，只要故障一侧的制动器抱 闸，另一台电机就可以1 2 的额定速度连续长时间运行，而且不会超负荷，一方面提高 了安全性，另一方面也保证了生产进度。 ( 5 ) 桥架结构寿命长。采用铰接式端梁桥架，解除了结构中的多余约束，刚性桥架 变成了静定结构，使桥架的端梁和主梁头部不承受水平弯曲应力，主小车车轮集中轮压产 生的局部挤压应力减小，这在一定程度上解决了端梁开焊的问题，延长了结构的使用寿命。 ( 6 ) 与四梁四轨结构相比，由于外主梁承重减少，结构尺寸减小，自重轻。且每根 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 主梁两端都有车轮，安装时可独立安装每根主梁后再进行整体组装，减小了安装难度。 该结构形式的缺点： ( 1 ) 行星减速机设计、制造难度大。 ( 2 ) 与四梁四轨结构相比，轮压相对分配不均匀。 ( 3 ) 内主梁既受到主小车轮压作用，又受到副小车轮压作用，受力复杂且结构位置 小。 1 3 3 铸造起重机疲劳破坏特性 按破坏时应力循环次数的高低，可以将疲劳分为两类：一是高循环疲劳( 高周疲劳) 。 该类疲劳作用于零件、构件的应力水平较低，弹性应变起主导作用，破坏时应力循环次数 一般高于1 0 叶l o ) ，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。二是低循环疲劳( 低周疲劳) ，该类 疲劳作用于零件、构件的应力水平较高，交变应力接近或超过屈服极限，塑性应变起主导 作用，破坏循环次数一般低于1 矿1 0 ) ，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳【1 】。鉴于铸 造起重机制造成本很高，4 5 0 8 0 t 铸造起重机一台价值7 0 0 0 万元左右，所以要求其具有较 长的使用寿命，另外铸造起重机要求具有很高的安全性，实际使用时的应力水平低于其材 料的屈服极限，由此可见，铸造起重机的疲劳属于高周疲劳。 某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不 是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。 最常见的有机械疲劳、接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳，此外，还有微动磨损疲 劳和声疲劳等f 1 5 , 1 6 , 1 7 】。机械疲劳是指承受循环应力或应变造成的疲劳失效。接触疲劳是指 零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳。经多次应力循环后，零件的工作表面局部区 域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增 大、温度升高、磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效。在滚动轴承、齿轮等零 件中常发生这种现象。高温疲劳是指在高温环境下承受循环应力时所产生的疲劳。高温是 指大于熔点1 2 以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑疲 劳的同时必须考虑高温蠕变的影响。热疲劳是指由温度变化引起的热应力循环作用而产生 的疲劳。如涡轮机转子、热轧轧辊和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲劳。 腐蚀疲劳是指在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。如船用螺旋桨、涡轮机叶片、 水轮机转轮等，常产生腐蚀疲劳。腐蚀介质在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的 扩展。其特点有：s n 曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲劳的影响很大；金属的腐蚀疲劳 强度主要由腐蚀环境的特性而定。微动疲劳是指在交变载荷或者机械振动作用下，导致构 件接触表面之间相对微小幅度的滑动，同时交变载荷和微动能促使疲劳裂纹早期萌生和早 期扩展，最后导致构件在大大低于材料疲劳极限，甚至低于材料弹性极限时失效的现象。 声疲劳是指在高强度噪声作用下，发生在材料局部的永久性损伤递增过程。 铸造起重机主要用于吊运钢包或铁水罐，承受的是交变载荷。同时，由于吊运的是液 态金属，高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳和蠕变疲劳对其寿命也有一定影响，隔热板或隔热 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 围墙的设置可以很大程度上降低这些影响，所以铸造起重机的疲劳属于机械疲劳。机械疲 劳又可以分为恒幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。由于铸造起重机使用时吊运的钢包均不一 样，浇注过程所受载荷也时刻变化，所以铸造起重机的疲劳属于随机疲劳【l 引。 铸造起重机桥架主体是箱形梁结构，焊接箱形梁结构最主要失效形式是随机载荷作用 下的疲劳破坏。疲劳裂纹的裂纹源一般产生于焊缝处即焊趾、焊缝交叉点、焊缝起弧等 处，此后一般以半椭圆表面裂纹的形式向内扩展，当裂纹穿透试件厚度后便快速扩展，最 后发生失稳断裂；疲劳破坏还可能发生在拉应力最大的跨中腹扳与下盖扳的纵向连续贴角 焊缝上，此时裂纹从焊缝内圆形缺陷的圆心开始向外扩展，直至穿透下盖板外表而纤维之 后变为三端穿透裂纹 1 9 2 0 】。另外，桥式起重机主梁端部拐角处出现裂纹的可能性也很大【2 。 1 4 本文的主要工作 本文拟采取的研究思路是：跟踪测试铸造起重机在实际工况下有限测点的应力状况， 编制测点的载荷谱；对桥架进行有限元分析，掌握其应力分布，并得到危险部位与测点的 应力比例关系，编制危险部位的应力谱；依据修正后的p - s - n 曲线，使用线性累积损伤理 论估算危险部位的疲劳寿命，技术路线如图1 2 所示。 图1 2 研究路线框图 ( 1 ) 有限元分析计算 建立四梁六轨铸造起重机三维有限元模型，根据实际工况对桥架施加载荷，对结构进 行有限元分析，得到桥架在各工况下的应力分布，并通过子模型精确分析桥架危险部位的 应力状况，算出最大应力点的应力与测点应力之间的比值，确定桥架最大应力与设备载荷 的关系。 ( 2 ) 随机载荷谱的编制 为使结构的疲劳设计和疲劳强度试验建立在实际使用时的载荷工况基础之上，需要采 集结构在各种典型使用工况下的载荷时间历程，经统计分析及处理后编制成工作载荷谱； 另一方面，可以根据得到的载荷谱编制模拟疲劳试验所用的试验载荷谱，对所设计的结构 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 按试验载荷谱加载，进行疲劳寿命试验来验证设计的可靠性和估算结构的使用寿命。 获取载荷谱的方法主要有两种方法，一是基于实验研究；二是基于理论分析计算。基 于实验研究的载荷谱获取方法主要用于现有设计设备，而基于理论分析计算的载荷谱获取 方法主要用于新设计设备。本课题研究对象属于现有设计设备，对于其随机载荷谱的编制 采用实验研究的方法。 ( 3 ) 疲劳寿命估算 铸造起重机桥架主体为焊接箱形梁结构，焊接箱形梁的疲劳寿命估算可借用一般构件 寿命估算方法，并综合考虑桥架各种实际工况下的随机载荷以及材料特性和焊接结构等特 点作必要的修正；再结合现场测试数据和有限元计算结果，编制了各危险部位的载荷谱： 在此基础上采用修正的p s - n 曲线和修正m i n c r 法则计算该桥式起重机在不同可靠度下的 疲劳寿命。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 铸造起重机载荷谱的采集 为了获得铸造起重机桥架各个部位的应力分布状况，为后续疲劳寿命分析提供依据， 需要得到桥架在实际工作状态下的疲劳载荷谱。针对该起重机，本文采取了现场静态试验 和实际工况跟踪试验的方法，测试得到了桥架典型部位的应力一时间历程。 2 1 测试方案 2 1 1 应力测点位置及测试方法 选取内、外主梁受载应力最大的两个断面，即跨中断面( 图2 1 中的a 断面) 和端部 断面( 图2 3 ) ，对于内主梁，由于跨中处设置有加强筋板，因此选择距跨中7 0 0 r a m ，靠近 扒渣机一端作为内主梁应力检测截面。采用粘贴电阻应变片的方法【2 4 】，上、下盖板测点沿 主应力方向粘贴工作片，其中西侧外主梁上盖板测点为9 撑、l 矿测点，内主梁为4 撑、5 撑测点 ( 图2 1b ) 。内、外主梁的主腹板端部测点处粘贴应变花，其中西侧内主梁主腹板测点为 l 撑、2 群、3 群测点，西侧外主梁主腹板测点为6 群、矿、8 4 测点( 图2 3 ) 。测试电桥输出的信号 由无线发射装置发射出，再由无线接收装置接收，经调理放大及a d 变换后由计算机采集记 录。以空载主、副小车静止处于主梁司机室一端的端部状态为测试零点，在此状态下将各 通道应力信号“调零”。在给定实验工况下进行l o o 负荷静态状态测试，然后，在起重机正 常工作状态下连续检测两个班( 1 6 小时) 。测试框图如图2 4 所示。 西 a 北( 扒渣机) ， 。_ b lk 、h 二# 一 年荜 二一、 厂 斗 外内 墨i 主 、 内外 王主 ， 王 粱粱梁梁 。节曹亡f u帑甲 一 南( 司机室) ( a ) 铸造起重机结构简图 东 ( a ) 两侧内主梁主腹板测点位置( b ) 西侧外主粱主腹板测点位置 图2 3 内、外主梁主腹板测点布置示意图 对于腹板端部应力，因为不清楚主应力方向，处理方法是将这三个方向的信号记录下 来，然后按照下列式子就可以计算出腹板端部的最大、最小主应力和最大剪应力以及最大 主应力的方向【2 5 ，2 6 1 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 = 斟岢+ 南瓜丽砸i 雨珂) = 裂晋一南瓜丽砸i 雨丽) r 一2 赤瓜i 砸i 再丽 p = 纠警 式中材料的泊松比，取= 0 2 8 。 1 4 测点 动计 测占1 态加算 应数机。 l 变据分打 仪采析印 i簚x o “测点 ”l 2 4 测试框图 1 2 测试工况 1 ) 仪器调零 工况下主、副小车静止于司机室一端的端部，主、副钩均无荷载。在此状态下将各 试通道信号调零，作为应力测试的零点【2 7 1 。 2 ) 主小车空载测试 工况下副小车仍静止于司机室一端。空载主小车分别静止于桥架跨中和扒渣机一端 端部，在这两种状态下测试内、外主梁的应力信号。 3 ) 吊运试验包 验包重4 1 3 8 t 。此状态下将副小车静止于司机室一侧。主小车吊起试验包后分别静 于桥架最南端、跨中0 最北端三个位置，分别记录这三种状态下各测点的应力信号。 4 ) 实际工况跟踪试验 起重机正常工作状态下连续检测两个班( 1 6 小时) ，跟踪记录各测点的应力信号。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 2 测试信号分析 2 2 1 静态应力值 在空载和吊运试验包两种工况下，桥架各测点的应力值如表2 1 所示。 表2 1 铸造起重机静态试验下各测点应力值单位：m p a ￥况 主小车空载 主小车空载位于 试验包位于 试验包位试验包位于 测 位丁跨中扒渣机一端司机窒一端于跨中 扒渣机一端 最大主应力 6 6 18 9 33 2 62 3 1 2 2 5 8 0 内主梁最小主应力5 1 48 0 22 9 81 4 8 5 2 3 3 7 主腹板 最人剪应力5 8 88 4 73 1 21 8 9 92 4 5 9 测点 最大主应力 方向角( 度) 4 2 7 5 3 2 0 84 1 1 4_ 4 1 4 13 4 4 6 4 #- 7 2 63 0 37 5 8 2 8 6 9- 4 9 6 5 #石1 61 7 75 6 82 3 1 24 8 7 最人主应力4 7 85 1 22 3 22 4 7 22 8 2 8 外主梁最小土应力 4 2 7 8 7 54 1 41 4 22 3 3 7 主腹板 最大剪应力 4 6 26 83 0 4 1 9 。4 22 5 8 3 测点 最人主应力 方向角( 度) _ 4 2 3 3 4_ 4 0 8 6_ 4 4 9 6- 3 9 1 3 9 #- 7 2 12 9 9 7 5 2- 2 8 4 3_ 4 9 2 1 0 #5 9 6 1 75 4 92 2 3 5- 4 4 5 2 2 2 动态应力测试曲线 在起重机正常工作状态下，跟踪测试吊运一罐铁水的全过程中，各测点的动态应力曲 线如图2 5 2 1 0 所示。 ( a ) 最大主应力曲线( m 觚= 4 4 5 m p a ) 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 m e o e c ) ( b ) 最小主应力曲线( r a i n = 3 0 a ) e m ( s e c ) ( c ) 最火剪应力记录曲线( m a x = 3 7 2m p a ) 图2 5 内主梁北端腹板测点应力曲线 t ( s e c ) 图2 64 。测点应力曲线( m i n - - - 4 6 8 3 3m p a ) t r i n e ( s e e ) 图2 75 。测点应力曲线( r a i n = - 2 4 4 5 4m p a ) m p a 2 0 04000攫m ( b ) 最小主应力曲线( m i n = 3 0m p a ) ( c ) 最人剪应力曲线( m a x = 3 7 7m p a ) 图2 8 外主梁北端腹板测点应力曲线 杼n s ) 图2 99 。测点应力曲线( r a i n - - - 4 8 9 2 8m p 叠) 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 1 01 0 。测点应力曲线( m i n = - 2 6 6 3 6m p a ) 2 2 3 测点的载荷谱 将测试得到的应力曲线通过统计得到其峰值分布概率图1 2 3 2 9 1 ，图2 1 1 2 1 6 分别是4 撑、 5 撑、矿、l o 抖以及内、外主梁端部腹板测点测试应力的统计直方图，图中横坐标表示应力大 小，纵坐标表示该应力循环的次数占总的应力循环次数的比例。 图2 1 l4 。测点测试应力直方图 图2 1 25 。测点测试应力直方图 图2 1 39 嘲点测试应力直方图图2 1 4l o 惭点测试应力直方图 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 图2 1 5 内主梁主腹板端部测点测试应力直方图 图2 1 6 外主梁主腹板端部测点测试应力直方图 2 2 4 测试结果分析 ( 1 ) 当主小车满载位于桥架跨中位置时，内、外主梁跨中盖板的应力值均较大。 ( 2 ) 当主小车满载位于扒渣机一端时，桥架端部腹板主要受到剪应力作用，应按其 最大剪应力强度理论进行校核。 ( 3 ) 桥架各测点测得的只是应力的变化值，其真实应力等于测点应力值加上“调零” 位置时结构自重产生的静应力。 通过应力测试，得到测点的应力分布，然而电阻应变片测试的是应力变化值，所以 测试应力并非真实应力。而且贴片位置并不一定是结构的应力最大部位，为获得桥架结构 自重产生的应力，确定桥架的应力最大部位，需要对结构进行有限元分析。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 基于有限元的铸造起重机桥架静力分析 有限元法是适应计算机的使用而发展起来的一种有效的数值计算方法，思路来源于结 构矩阵分析，其基本思想是，将系统离散为有限个单元，相邻单元在节点上连接，用近似 函数表示单元内的真实场变量，从而得出离散模型的数值解【3 0 3 。这种方法起源于2 0 世纪 5 0 年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，经过几十年的发展，有限元法已成为工程设计中 不可或缺的一种重要方法，广泛应用于核工业、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、日用家电等一般工业及 科学研究，几乎可以用来求解所有的连续介质和场问题，包括结构静力、动力、非线性、 疲劳、断裂、复合材料分析，热分析，电磁场分析，流体动力学分析，耦合场分析等【3 2 3 3 埘】。 3 1 铸造起重机桥架结构有限元模型的建立 铸造起重机桥架金属结构比较复杂，主体为箱形结构，箱形结构的特点是板材长宽尺 寸远大于其厚度尺寸，所以在进行整体分析的时候对箱形梁选用板单元进行分析，只在一 些局部位置选择用三维实体单元以方便施加约束和载荷【2 7 3 7 1 。在建立有限元模型时对于分 析结果影响不大的部位做了适当的简化，去掉了一些辅助的栏杆、加强筋板、走道板、扶 梯、配电管道等。由于铸造起重机桥架结构完全对称，故只需取其一半进行仿真分析。选 定沿着主梁方向为x 向，沿着大车运行方向为y 向，垂直运行轨道平面的方向为z 向， 所建立的有限元模型见图3 1 。 备 八 图3 1 铸造起重机有限元模型 为了更真实地模拟桥架的受力状态，采用三维实体单元模拟小车轨道，使上盖板受力 均匀，轨道模型如图3 2 ( a ) 所示；而支承车轮组平衡台车的耳板厚度较大，不宜采用板 壳单元，也采用三维实体单元，便于施加约束，如图3 2 ( b ) 所示，板单元与实体单元通 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 过节点对应的关系连接起来。 ( a ) 轨道实体模型 ( b ) 耳板实体模型 图3 2 局部三维实体单元 3 1 1 单元选择 该铸造起重机总体模型采用的单元是板单元( 图3 4 ) ，只在局部位置选用三维实体单 元( 图3 3 ) 。三维实体单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着x 、y 、z 方向平 移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。单元由8 个 节点和各向同性的材料参数来定义，各向同性材料方向对应于单元坐标系方向，单元载荷 包括节点载荷和单元载荷。 图3 3 三维实体单元 k 板单元【3 8 1 具有弯曲及薄膜特性，可承受与平面同方向及法线方向的负载。单元各个节 点具有沿x ，y ，z 方向移动和绕x ，y ，z 方向旋转共6 个自由度。该单元适用于应力强 化及大变形的效应。 板单元的构成、节点位置、单元坐标系如图3 4 所示，单元由四个节点、四个节点上 的厚度、单元的弹性模量和泊松比等几个参量来定义。单元中x 轴可以转动一个角度。 l 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 4 板单元 3 1 2 边界条件 在有限元分析中，边界条件的施加是一个非常重要的环节，边界条件的施加会直接影 响到结果的准确度，错误的边界条件可能导致计算结果不收敛或者计算得到错误的结果。 整个起重机由平衡台车的铰接轴支承，再通过车轮与轨道连接。对于铸造起重机桥架，其 主体部分即箱形粱可视为简支梁，利用多点约束进行施加【3 9 1 。 桥架司机室端的外主梁车轮平衡台车的铰接轴中心处，约束x ，y