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冶金桥式起重机静动态特性和疲劳寿命分析

作　者: 周诗洋
导　师: 杨金堂
学　校: 武汉科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 冶金桥式起重机有限元分析静动态特性疲劳寿命
分类号: TH215
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着钢铁行业的迅速发展,冶金专用起重机的需求越来越大,对其结构和性能要求也越来越高。冶金桥式起重机是钢铁厂最主要的设备之一,在其频繁地使用过程中,其结构强度、疲劳强度和可靠性水平均随着使用年限的增加而降低。特别是,在循环的交变动载荷的作用下,起重机的金属结构可能出现裂纹并发生扩展,最终导致起重机的金属结构的突然断裂破坏。当前,我国对起重机的报废年限还缺乏强制性的标准,且冶金专用起重机的造价较高,许多起重机已经达到甚至超过了设计使用年限,却仍然还在使用,造成了很大的安全隐患。因此,对服役周期长、负荷量大和使用频率高的冶金桥式起重机进行应力测试、静态特性、动态特性和疲劳寿命分析,显得十分必要。如果采用传统的力学计算方法对起重机进行研究,往往需要简化或估计相关参数,势必造成计算结果的不准确。为此,本文应用ANSYS有限元分析软件对200t×20m冶金桥式起重机的桥架结构的静态特性、动态特性(模态分析、谐响应分析和瞬态分析)和疲劳寿命特性进行模拟仿真与分析,以期为起重机的设计、制造、检验和管理提供有益的参考。通过对起重机桥架结构进行现场测试和静态特性分析,对桥架结构的应力分布状态有了全面的了解,获得了桥架结构的危险部位的应力水平和静刚度等指标。通过对起重机桥架结构进行动态特性分析,编写了模态分析、谐响应分析和瞬态分析的ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parameter Design Language,APDL)。通过模态分析,提取了起重机前10阶固有频率及其所对应的振型图,并进行了动刚度校核;通过谐响应分析,分析了起重机在受外界激励作用时各阶频率下的变形情况;通过瞬态分析,获得了起重机的小车在桥架跨中位置起吊钢包时的动力响应,包括桥架(主梁)结构跨中部位的Y向位移、Y向速度和Y向加速度的时间历程曲线。应用有限元分析、损伤容限设计和断裂力学对起重机进行了疲劳寿命分析。根据Paris公式计算了起重机北主梁下盖板的跨中部位的疲劳寿命,并讨论了Paris公式中参数的改变对起重机疲劳寿命的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章前言  8-14
  1.1 概述  8
  1.2 研究背景及意义  8-9
  1.3 国内外研究现状  9-13
  1.4 论文的主要工作  13-14
第二章现场测试与静态分析  14-31
  2.1 桥架结构的静力学模型  15-16
  2.2 桥架结构的有限元模型  16-18
  2.3 桥架结构的现场测试  18-22
  2.4 桥架结构的静态分析  22-30
    2.4.1 空载小车位于桥架端部位置（司机室端）  22-25
    2.4.2 满载（额定载荷200t）小车位于桥架跨中位置  25-29
    2.4.3 有限元计算结果与现场测试结果的对比和分析  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章动态分析  31-55
  3.1 动力学的有限元分析法  31-33
  3.2 模态分析  33-40
    3.2.1 模态分析的理论基础  33-34
    3.2.2 桥架结构的模态分析  34-40
    3.2.3 模态分析小结  40
  3.3 谐响应分析  40-45
    3.3.1 谐响应分析的理论基础  41
    3.3.2 桥架结构的谐响应分析  41-45
    3.3.3 谐响应分析小结  45
  3.4 瞬态分析  45-54
    3.4.1 瞬态分析的理论基础  46-49
    3.4.2 桥架结构的瞬态分析  49-53
    3.4.3 瞬态分析小结  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章疲劳寿命分析  55-64
  4.1 疲劳寿命的分析方法  55-59
    4.1.1 应力比法  55-56
    4.1.2 名义应力设计法  56-57
    4.1.3 局部应力应变分析法  57
    4.1.4 损伤容限设计  57-58
    4.1.5 疲劳可靠性设计  58-59
  4.2 起重机的疲劳寿命计算  59-63
  4.3 本章小结  63-64
第五章全文总结与展望  64-65
  5.1 全文总结  64
  5.2 展望  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间发表的论文  70

冶金桥式起重机静动态特性和疲劳寿命分析

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