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大型多支承回转机械主体部件疲劳问题的研究

作　者: 张美阳
导　师: 李学军；曹王剑
学　校: 湖南科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 大型多支承回转机械疲劳寿命断裂力学局部应力应变法有限元法
分类号: TK175
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

大型多支承回转机械是建材、冶金、化工等许多生产行业生产流程中的核心设备,其主体部件(筒体、滚圈、托轮)的疲劳失效是这类设备发生机械故障和安全事故的主要原因。研究大型多支承回转机械主体部件的疲劳问题,对指导其主体部件的设计、制造、检验和管理具有重要意义。论文针对现有大型多支承回转机械疲劳预测方法的不足,根据其主体部件主要疲劳失效形式,提出利用断裂力学和局部应力应变法相结合的方法分析其各主体部件的疲劳寿命,主要包括以下三个方面的研究内容和结论:(1)基于简体有限元静力分析和断裂力学理论,建立简体疲劳裂纹扩展寿命的估算模型,得到简体疲劳裂纹扩展寿命与裂纹长度间的关系;简体裂纹的扩展大体包括三个阶段:稳定缓慢扩展阶段、快速扩展阶段和失稳阶段,而稳定缓慢扩展阶段的约占整个扩展寿命的80%等结论。(2)基于滚圈、托轮的接触有限元分析和局部应力应变法,建立滚圈疲劳裂纹萌生寿命的估算模型,得到轴线变化与裂纹萌生寿命间的关系;得出滚圈外圈表面接触区的峰值应力是导致其疲劳失效的主要原因,轴线发生偏移时滚圈疲劳裂纹萌生寿命迅速降低等结论。(3)基于滚圈、托轮的接触有限元分析和断裂力学理论,建立滚圈、托轮疲劳裂纹扩展寿命的估算模型,得到轴线偏差与滚圈、托轮裂纹扩展寿命间的关系;得出轴线偏移严重影响其扩展寿命,轴线偏移对滚圈及轴线偏向的托轮的疲劳裂纹扩展寿命的影响一致即:偏差越大,其扩展寿命越短;而与其背离的托轮的裂纹扩展寿命则随偏差的增大而增长等结论。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第一章概述  10-19
  1.1 课题来源及研究意义  10
  1.2 大型多支承回转机械概述  10-13
  1.3 大型多支承回转机械疲劳问题及研究现状  13-17
    1.3.1 疲劳问题及研究现状  13-15
    1.3.2 论文相关理论  15-17
  1.4 论文主要内容  17-19
第二章筒体静力有限元分析  19-30
  2.1 有限元软件概述  19-21
    2.1.1 有限元软件的选择  19-20
    2.1.2 有限元软件求解步骤  20-21
  2.2 筒体的结构及载荷分布  21-26
    2.2.1 筒体的结构及基本参数  21-23
    2.2.2 筒体的载荷分布  23-26
  2.3 筒体静力有限元分析  26-29
    2.3.1 筒体有限元建模  26-28
    2.3.2 筒体有限元结果分析  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章滚圈托轮接触有限元分析  30-44
  3.1 轴线偏差下的支承载荷分配  30-31
  3.2 滚圈托轮的接触受力分析  31-34
    3.2.1 滚圈受力模型分析  31-33
    3.2.2 最大接触力的计算  33-34
  3.3 滚圈托轮接触有限元分析  34-41
    3.3.1 接触有限元  34-36
    3.3.2 有限元模型的建立  36-38
    3.3.3 计算结果及分析  38-41
  3.4 轴线变化下有限元分析数据汇总  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章筒体疲劳裂纹扩展寿命分析  44-62
  4.1 疲劳裂纹扩展的相关理论  44-48
    4.1.1 金属疲劳寿命的理论研究方法及其优缺点  44-46
    4.1.2 疲劳裂纹扩展特性  46
    4.1.3 疲劳裂纹扩展过程  46-48
    4.1.4 裂纹扩展寿命计算基本过程  48
  4.2 扩展寿命计算时的初始裂纹  48-51
    4.2.1 检测仪器灵敏度的下限  49-50
    4.2.2 工程方法确定初始裂纹  50
    4.2.3 根据焊接标准确定初始裂纹  50-51
    4.2.4 综合评定  51
  4.3 扩展寿命计算时的应力强度因子的计算  51-55
    4.3.1 应力强度因子的选取  51-52
    4.3.2 应力强度因子的修正  52-55
  4.4 疲劳裂纹扩展速率及临界裂纹的确定  55-56
    4.4.1 确定临界裂纹尺寸  55
    4.4.2 变幅载荷裂纹扩展速率的计算  55-56
  4.5 疲劳裂纹扩展寿命  56-61
    4.5.1 疲劳裂纹扩展寿命计算式的确定  56-57
    4.5.2 各支承档位的驱动应力谱  57-58
    4.5.3 各支承档位的疲劳寿命  58-60
    4.5.4 计算结果分析  60-61
  4.6 本章小结  61-62
第五章滚圈疲劳裂纹萌生寿命分析  62-77
  5.1 接触疲劳裂纹的萌生  62-64
    5.1.1 接触疲劳裂纹的物理模型  62-63
    5.1.2 裂纹萌生位置  63-64
    5.1.3 裂纹的驱动应力分析  64
  5.2 疲劳裂纹萌生寿命的估算  64-76
    5.2.1 疲劳参数的确定  64-65
    5.2.2 载荷谱的确定  65-66
    5.2.3 雨流计数法计数  66-68
    5.2.4 局部应力应变值  68-73
    5.2.5 疲劳损伤及疲劳裂纹萌生寿命估算  73-75
    5.2.6 计算结果分析  75-76
  5.3 本章小结  76-77
第六章滚圈接触疲劳裂纹扩展寿命分析  77-88
  6.1 接触疲劳裂的扩展  77-78
    6.1.1 断裂力学描述  77
    6.1.2 接触疲劳裂纹应力强度因子的计算  77-78
  6.2 裂纹有效剪切应力的计算  78-83
    6.2.1 裂纹位于接触表面  78-79
    6.2.2 裂纹位于接触亚表面  79-83
  6.3 接触疲劳裂纹扩展寿命  83-87
    6.3.1 滚圈疲劳裂纹扩展寿命估算  84
    6.3.2 左托轮疲劳裂纹扩展寿命估算  84-86
    6.3.3 右托轮疲劳裂纹扩展寿命估算  86
    6.3.4 计算结果分析  86-87
  6.4 本章小结  87-88
第七章主要研究结论与展望  88-89
参考文献  89-92
攻读硕士学位期间主要研究成果  92-94
致谢  94

大型多支承回转机械主体部件疲劳问题的研究

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