【摘要】：鑒于平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的眾多優(yōu)勢(shì),在我國不論其應(yīng)用的規(guī)模還是數(shù)量上,均穩(wěn)居世界前列。在平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上設(shè)置懸掛吊車,懸掛吊車所產(chǎn)生的反復(fù)交變荷載給網(wǎng)架結(jié)構(gòu)帶來疲勞問題。平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞主要包括桿件、焊接空心球及懸掛吊點(diǎn)連接的疲勞,而懸掛吊點(diǎn)連接的疲勞是平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞破壞的關(guān)鍵部位。十字形板一焊接空心球連接作為懸掛吊點(diǎn)的主要方式之一,相關(guān)的疲勞理論研究及疲勞試驗(yàn)研究進(jìn)展較為緩慢,且相關(guān)懸掛吊點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算方法在我國現(xiàn)行的規(guī)范和規(guī)程中屬于空白。上述種種因素給懸掛吊車在平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用造成了很大的制約。 在兩項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50678109,51178286)的大力資助下,本文重點(diǎn)針對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中十字形板—焊接空心球懸掛吊點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究。其相關(guān)的工作及結(jié)論總結(jié)如下： 1、采用ANSYS有限元軟件,以不同規(guī)格匹配而成的25個(gè)十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)(材質(zhì)均為Q235B)為研究對(duì)象進(jìn)行單因素分析,重點(diǎn)討論了節(jié)點(diǎn)相關(guān)尺寸的五個(gè)因素,即焊接空心球直徑D、焊接空心球壁厚tx、十字形板寬度B、十字形板厚度tp和板球連接焊縫焊腳尺寸hf對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的影響。基于分析結(jié)果,建立了十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算公式,其取值區(qū)間為3.176～5.365。研究結(jié)論揭示了應(yīng)力集中和疲勞破壞源的關(guān)系,解釋了十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度相對(duì)較低的原因,為建立以熱點(diǎn)應(yīng)力幅為參量的疲勞設(shè)計(jì)方法奠定了一定的理論基礎(chǔ)。 2、設(shè)計(jì)了與本次疲勞試件相匹配的加荷裝置,采用Amsler疲勞試驗(yàn)機(jī)(瑞士),順利完成了25個(gè)十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)的常幅疲勞性能試驗(yàn),得到了25個(gè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)(6個(gè)異常)。收集了國內(nèi)已有的9個(gè)常幅疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將本文與國內(nèi)共有的28個(gè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)分析,得到了s-N曲線。 3、基于得到的常幅S-N曲線,以熱點(diǎn)應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力幅為設(shè)計(jì)參量,建立了平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)兩種表達(dá)形式的常幅疲勞設(shè)計(jì)方法；若以N=2×106為基準(zhǔn)期,則[△σ]2×106=19.66Mpa,[△σh]2×106=62.44Mpa；上述常幅疲勞設(shè)計(jì)方法的建立為國家相關(guān)規(guī)范或規(guī)程提供了有益的補(bǔ)充,擴(kuò)大了節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)方法的的類別。 4、為了揭示十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)的變幅疲勞性能,采用代表性的加載模式對(duì)14個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞試件進(jìn)行變幅試驗(yàn),試驗(yàn)共取得14個(gè)有效的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用線性累積損傷理論Miner法則和(?)Corten-Dolan非線性累積損傷理論分別對(duì)其變幅疲勞試件進(jìn)行壽命估算,結(jié)果表明：采用Corten-Dolan理論對(duì)十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命估算較為合理。 5、借助于電子顯微鏡和放大鏡,進(jìn)行了4個(gè)常幅和4個(gè)變幅典型疲勞試件疲勞斷口的金相分析；揭示了十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)常幅和變幅疲勞破壞機(jī)理及斷口特征,常幅疲勞斷口的隨機(jī)性遠(yuǎn)小于變幅疲勞斷口；結(jié)合理論分析和金相分析,得出十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)中板肋端部是疲勞源的主要起始部位。 6、采用斷裂力學(xué)對(duì)十字形板—焊接空心球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命估算是可行的。理論估算值與試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律基本一致,但理論估算值與試驗(yàn)結(jié)果兩者數(shù)值存在一定的誤差,最大相差為30%；節(jié)點(diǎn)所含的先天性缺陷或類裂紋的大小對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命影響很大,但材料的斷裂韌性對(duì)疲勞壽命影響較小。
[Abstract]:In view of the numerous advantages of the plate truss structure, in our country, the size and quantity of its application are all in the forefront of the world. The suspension crane is set up in the plate frame structure, and the repeated alternating load produced by the suspension crane brings fatigue to the grid structure. The fatigue of the plate truss structure mainly includes the rod, the welded hollow ball and the suspension. Fatigue of hanging point connection is the key part of fatigue failure of plate truss structure. As one of the main ways of hanging point, cross plate welded hollow ball connection is one of the main ways. The related fatigue theory research and fatigue test research progress is slow, and the fatigue design calculation method of related suspended suspension points is used. China's current codes and regulations are blank. All these factors have greatly restricted the popularization and application of suspension cranes in flat grid structures.
Under the support of the two National Natural Science Foundation (5067810951178286), this paper focuses on the theoretical and Experimental Research on the fatigue performance of the cross plate - welded hollow ball suspended point in the plate grid structure of welded hollow ball joints.
1, by using ANSYS finite element software, 25 cross shaped plate welded hollow ball joints (material Q235B), which are matched with different specifications, are used for single factor analysis. The five factors related to the node size are discussed, namely, the diameter of the welded hollow ball D, the welded hollow ball wall thickness TX, the cross plate width B, and the cross plate thickness TP. The influence of the size HF of the cricket joint weld bead on the stress of the joint. Based on the analysis results, a calculation formula for the hot spot stress concentration coefficient of the cross plate welded hollow ball joints is established. The value range is 3.176 ~ 5.365., and the relationship between the stress concentration and the fatigue failure source is revealed, and the cross plate welded hollow sphere is explained. The reasons for the relatively low fatigue strength of the points provide a theoretical basis for establishing the fatigue design method based on the hot spot stress amplitude.
2, a loading device matched with this fatigue test specimen was designed. Using the Amsler fatigue test machine (Switzerland), the constant amplitude fatigue test of 25 cross shaped plate welded hollow ball joints was successfully completed, and 25 fatigue test data (6 anomalies) were obtained. The existing 9 constant amplitude fatigue test data in China were collected. The s-N curves were obtained by regression analysis of 28 fatigue test data.
3, based on the obtained constant amplitude S-N curve, based on the hot spot stress and the hot spot stress amplitude as the design parameters, a constant amplitude fatigue design method for two expressions of the cross plate and welded hollow ball joints of the plate truss structure is established. If the N=2 x 106 is the reference period, [delta sigma]2 x 106=19.66Mpa, [delta sigma h]2 x 106=62.44Mpa], the above constant amplitude fatigue design side The establishment of law provides a useful supplement to relevant national codes or regulations, and expands the categories of nodal fatigue design methods.
4, in order to reveal the variable amplitude fatigue performance of the cross plate - welded hollow ball joints, 14 fatigue test specimens were tested with a representative loading mode, and 14 effective fatigue test data were obtained. By processing the above test data, the Miner rule of linear cumulative damage theory and (?) Corten-Dolan non The linear cumulative damage theory is used to estimate the fatigue life of the variable amplitude fatigue specimens. The results show that the fatigue life estimation of the cross plate welded hollow ball joints is more reasonable by using the Corten-Dolan theory.
5, with the aid of electron microscope and magnifying glass, the metallographic analysis of fatigue fracture of 4 typical fatigue specimens with constant amplitude and 4 amplitude variation is carried out. The failure mechanism and fracture characteristics of the common and variable amplitude fatigue fracture of the cross plate welded hollow ball joints are revealed. The randomness of the constant amplitude fatigue fracture is far smaller than the amplitude fatigue fracture. From the phase analysis, it is concluded that the end of the plate rib in the welded hollow spherical joints is the main starting point of fatigue source.
6, it is feasible to estimate the fatigue life of the cruciform plate welded hollow ball joints with fracture mechanics. The theoretical estimation values are basically the same as the experimental results, but there is a certain error between the theoretical estimated value and the test results, the maximum difference is 30%, and the congenital defects or the size of the crack like cracks in the joints have the crack expansion. The influence of fracture toughness on fatigue life is small.
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU356

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本文編號(hào)：2148663