第一章 緒論

由于要頻繁搬運(yùn)貨物，抓斗卸船機(jī)的結(jié)構(gòu)部件要承受大量的交變載荷作用，這會(huì)使其結(jié)構(gòu)構(gòu)件突然出現(xiàn)斷裂的疲勞破壞現(xiàn)象。在對抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)破壞案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)都是由于其在重復(fù)應(yīng)力作用下的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞造成的。不僅如此，抓斗卸船機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜、工作情況復(fù)雜多變，其某些重要單元時(shí)常在所承受載荷明顯小于設(shè)計(jì)許用載荷的狀況下過早出現(xiàn)裂紋，由此引發(fā)的突發(fā)性結(jié)構(gòu)斷裂事故時(shí)有發(fā)生，造成重大損失。再者，抓斗卸船機(jī)的工作環(huán)境通常距離海邊較近，設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)容易銹蝕。在港口的工作生產(chǎn)設(shè)備中，抓斗卸船機(jī)的重要作用不言自明，它不但造價(jià)高昂，而且生產(chǎn)、裝機(jī)、調(diào)試時(shí)間長，維護(hù)成本高昂。目前企業(yè)中的抓斗卸船機(jī)大多已經(jīng)服役多年，企業(yè)對它們的使用壽命或極限狀態(tài)的預(yù)測非常關(guān)心，也是研究者迫切需要解決的重要問題。所以，科學(xué)系統(tǒng)地進(jìn)行抓斗卸船機(jī)的疲勞壽命估算對于其運(yùn)行和維修管理有著十分重要的作用[3]。抓斗卸船機(jī)屬于國家規(guī)定強(qiáng)制檢驗(yàn)范疇[4]，每兩年接受特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期檢驗(yàn)。然而，這種法定檢驗(yàn)大多數(shù)只是常規(guī)的安全性能試驗(yàn)，對于抓斗卸船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算及疲勞壽命分析這類復(fù)雜問題并未涉及。隨著質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)科技興檢的號(hào)召，越來越多先進(jìn)的檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到起重機(jī)械檢驗(yàn)中，如無損探傷，應(yīng)力測試，聲發(fā)射技術(shù)等。
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第二章 結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法

2.1  抓斗卸船機(jī)的疲勞類型介紹
機(jī)械疲勞包括隨機(jī)、變幅以及常幅疲勞。應(yīng)力幅度和頻率都在變化的是隨機(jī)疲勞；應(yīng)力幅度變化而頻率不變的即變幅疲勞；交變應(yīng)力的頻率及幅度都是固定不變的則為常幅疲勞。抓斗卸船機(jī)的疲勞是屬于機(jī)械隨機(jī)疲勞，因?yàn)樽兎≤嚰白ト∥锪隙际请S機(jī)的，比如小車在某些因素的影響下會(huì)忽快忽慢，而抓斗卸船機(jī)抓取的貨物不可能完全等量，交變應(yīng)力也是隨機(jī)的。 疲勞又可以分為低周疲勞及高周疲勞。區(qū)分很簡單，完全是以數(shù)量來區(qū)分的。結(jié)構(gòu)斷裂前的循環(huán)次數(shù)少于 104-105次，而其所受應(yīng)力高至接近或超過屈服極限，每次循環(huán)的過程中都發(fā)生塑性變形即低周疲勞；結(jié)構(gòu)斷裂前的循環(huán)次數(shù)Nf大于105-107次，其所受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，甚至只有屈服極限的大概三分之一即為高周疲勞。一般說來，出于安全考慮，抓斗卸船機(jī)的設(shè)計(jì)名義應(yīng)力都遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，所以抓斗卸船機(jī)的疲勞屬于高周疲勞[10] [11]。

2.2  抓斗卸船機(jī)疲勞分析方法介紹
疲勞分析就是要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)，用人工借助機(jī)器及運(yùn)行其上的軟件，在輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，模擬各種實(shí)際運(yùn)行工況中的情景，探討各種可能，從而在現(xiàn)實(shí)中避免危害的發(fā)生，主要目的是防止結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。提高抓斗卸船機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要保證和重要環(huán)節(jié)就是需要對抓斗卸船機(jī)進(jìn)行合理的疲勞設(shè)計(jì)。假如不對其進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)，或者設(shè)計(jì)不夠精確，那么顯然會(huì)對人身及財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。用來處理動(dòng)應(yīng)力及由此而產(chǎn)生的破壞方式的基本方法就是疲勞分析方法，國內(nèi)外目前采用的疲勞分析方法主要有以下幾種[12]。

第三章 抓斗卸船機(jī)靜強(qiáng)度分析 ........................................... 13

3.1  有限元法概況及應(yīng)用 ......................................... 13

3.2  抓斗卸船機(jī)整體概要 ............................. 15

第四章 抓斗卸船機(jī)疲勞壽命分析 ........................................... 27

4.1  材料的疲勞屬性 ........................................27

第五章 抓斗卸船機(jī)裂紋擴(kuò)展壽命估算 ...........................37

5.1  線彈性斷裂力學(xué)的基本參數(shù) .............................37

5.2  疲勞裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算 .............................39

5.3  預(yù)測疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命 ............................ 39

5.4  剩余壽命計(jì)算 ..................... 40

第五章 抓斗卸船機(jī)裂紋擴(kuò)展壽命估算

5.1  線彈性斷裂力學(xué)的基本參數(shù)
裂紋前緣應(yīng)力增長的程度對于不同的尺寸、裂紋形狀以及受力形式各不相同，與此相應(yīng)地，應(yīng)力強(qiáng)度因子也是各不相同的。按歐文在文章里的說法，裂紋表面的位移在常規(guī)的應(yīng)力場中將會(huì)依照應(yīng)力方向以及裂紋的位置之間的關(guān)系分為三種類型，在研究中，歐文把關(guān)系的三種類型稱為撕開型、滑移型以及張開型。與上文所述三種關(guān)系相對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子分別為 KⅢ、KⅡ以及KΙ。如圖 5.1所示。本論文以下所述應(yīng)力強(qiáng)度因子 K 全部是Ⅰ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子 KΙ。因?yàn)閷?shí)際上絕大多數(shù)屬于最危險(xiǎn)的Ⅰ型裂紋。構(gòu)件的低應(yīng)力脆性斷裂中不少是復(fù)合型的裂紋。即便如此，項(xiàng)目進(jìn)行的過程中為了保證安全一般地將其他的都以張開型處理方法較多。上述公式中的f既可以是a 的函數(shù)又可以是常數(shù)，其為裂紋加載方式、位置以及形狀的系而決定，被稱為形狀修正因子。一般以毫米來計(jì)裂紋尺寸。在表面，假如能夠出現(xiàn)裂紋，那么a 就代表了裂紋的深度數(shù)值；另一種情況下裂紋的半長度也可以為 a 所表示，比如深埋裂紋以及穿透裂紋。

5.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算
此為1963年的Paris公式。由上式可知疲勞裂紋擴(kuò)展的主要控制參量為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK，裂紋尺寸a 增大或者載荷水平Δσ 增大即ΔK增大，那么裂紋擴(kuò)展速率也相應(yīng)地da/dN增大。對材料疲勞裂紋擴(kuò)展性能的基本參數(shù)進(jìn)行描述的是由實(shí)驗(yàn)確定的裂紋擴(kuò)展參數(shù) C、m。疲勞裂紋擴(kuò)展壽命指的是自估算疲勞初始裂紋長度ao擴(kuò)展至臨界裂紋長度ac所經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)Nc。本論文的研究將Paris裂紋擴(kuò)展速率公式作為基礎(chǔ)對疲勞裂紋展壽命的預(yù)測方法展開探討。此為斷裂力學(xué)中最為基本的壽命計(jì)算方程。利用這個(gè)方程能夠按照不同的需要對抗疲勞斷裂進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要工作如下： 第一，已知載荷條件Δσ和初始裂紋尺a0，，對臨界裂紋尺寸ac以及剩余壽命NC進(jìn)行估算； 第二，已知載荷條件Δσ，剩余壽命N C給定，對臨界裂紋尺寸ac以及允許的初始裂紋a0進(jìn)行確定； 第三，已知臨界裂紋尺寸ac以及初始裂紋尺a0，將剩余壽命NC給定然后估算在使用工況(R)下所允許使用的最大應(yīng)力σmax。
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第六章 總結(jié)與展望

本論文全面地研究和分析了卸船機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)和壽命估算方面的方法和理論，并以此為基礎(chǔ)，對珠海某煤礦碼頭一臺(tái)35噸、1800t/h抓斗卸船機(jī)為例，運(yùn)用疲勞分析軟件nCode_DesignLife對無缺陷的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，運(yùn)用斷裂力學(xué)理論研究和分析了存在初始裂紋的情況的使用壽命。
1）分析和總結(jié)了國內(nèi)外疲勞理論相關(guān)研究成果，對疲勞壽命估算方法以及疲勞設(shè)計(jì)方法的區(qū)別和使用范圍進(jìn)行了深入探討，對抓斗卸船機(jī)的實(shí)際工作狀況進(jìn)行了詳盡的研究和探討。
2）將各種疲勞壽命分析方法進(jìn)行了比對，分析了各種方法的優(yōu)劣并進(jìn)行初步的歸納和總結(jié)，主要介紹和研究了nCode_DesignLife疲勞分析方法。
3）對抓斗卸船機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使用前后處理器HyperMesh軟件對抓斗卸船機(jī)建模，用大型有限元分析軟件MSC.NASTRAN對抓斗卸船機(jī)各種工作狀況下的靜應(yīng)力值進(jìn)行了計(jì)算，并對其是否滿足剛度以及靜強(qiáng)度的要求進(jìn)行了驗(yàn)證。
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參考文獻(xiàn)（略）