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塔式起重机疲劳破坏机理的分析研究

作　者: 张宏伟
导　师: 贺利乐
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 塔式起重机疲劳破坏 ANSYS 焊接裂缝疲劳裂纹
分类号: TH213.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

塔式起重机（以下简称塔机）是现代建筑施工中不可或缺的起重设备之一，其安全运行也是施工安全的重要标志。随着施工高度和强度不断增加，塔机在使用过程中频繁出现倒塌、断臂等机毁人亡的严重事故。本文针对多起塔机事故的进行分析，发现多数塔机事故是由于结构疲劳破坏而引起的。在此背景下，本文通过分析国内外疲劳研究现状，选用QTZ4510塔机为研究对象，对其进行疲劳破坏机理的研究。主要开展工作如下：1.对金属构件的疲劳损伤特性作了理论分析。通过研究疲劳理论，针对目前研究金属损伤的理论进行了描述，总结了金属构件的疲劳破坏影响因素。结合塔机的实际工作特点，得出了塔机的疲劳类型。2.建立塔机有限元模型。利用ANSYS软件建立了QTZ4510塔机的有限元模型，结合典型工况对塔机进行静力学分析，得到塔机在此工况下的应力分布。并通过超载、模态分析和谐响应分析的方式，确定了塔机容易出现疲劳破坏危险的位置。3.塔机焊接强度分析。结合塔机自身的焊接结构特征，分析了影响塔机焊接强度的因素，通过对塔机事故的调查，研究了起重臂和塔身焊接件发生破坏的原因和位置，并总结了提高焊接强度的措施。4.疲劳裂纹分析。通过分析塔机起重臂受力特点，运用损伤力学和断裂力学理论对塔机疲劳裂纹的形成和扩展进行分析，确立了塔机疲劳裂纹总寿命的预测方法。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-15
  1.1 本课题的研究背景  9-10
  1.2 本课题国内外研究现状  10-13
    1.2.1 国内外疲劳裂纹的研究现状  10-12
    1.2.2 国内外焊接疲劳的研究现状  12-13
  1.3 本课题的主要研究内容  13-14
  1.4 本课题研究的目的及意义  14-15
2 塔机疲劳破坏理论基础  15-25
  2.1 疲劳破坏的理论基础  15-17
    2.1.1 常用的疲劳累积损伤理论  15-16
    2.1.2 断裂力学法  16-17
  2.2 塔机结构疲劳破坏特点及原因  17-18
    2.2.1 塔机结构疲劳破坏的特点  17-18
    2.2.2 塔机结构疲劳破坏的原因  18
  2.3 塔机疲劳类型分析  18-19
    2.3.1 疲劳定义  18
    2.3.2 塔机疲劳类型  18-19
  2.4 影响塔机寿命的疲劳因素  19-20
    2.4.1 载荷状况  19-20
    2.4.2 表面状况  20
    2.4.3 结构连接强度  20
    2.4.4 其他因素  20
  2.5 名义应力法  20-22
  2.6 进行疲劳破坏分析的步骤  22
  2.7 本章小结  22-25
3 基于有限元法的塔机力学分析  25-43
  3.1 有限元在疲劳计算中的应用  25-26
  3.2 塔机模型的建立  26-30
    3.2.1 QTZ4510 塔机主要金属结构概述  26
    3.2.2 QTZ4510 塔机基本参数  26-27
    3.2.3 QTZ4510 塔机有限元模型简化  27-28
    3.2.4 建立 QTZ4510 塔机的有限元模型  28-30
  3.3 塔机静力学分析  30-35
    3.3.1 塔机模型载荷简化分析  30-31
    3.3.2 典型工况下塔机的静力学分析  31-34
    3.3.3 在典型工况下塔机的超载分析  34-35
  3.4 塔机应力危险位置的确定  35-37
  3.5 塔机模态分析  37-40
    3.5.1 模态理论简介  37-39
    3.5.2 塔机模态分析总结  39-40
  3.6 塔机谐响应分析  40-41
  3.7 本章小结  41-43
4 塔机的焊接结构分析  43-52
  4.1 焊接接头分析  43
  4.2 影响金属焊接强度的主要因素  43-46
    4.2.1 应力集中  43-44
    4.2.2 尺寸效应  44-45
    4.2.3 残余应力  45-46
    4.2.4 焊接缺陷  46
  4.3 塔机焊接结构介绍  46-49
    4.3.1 塔机焊接结构节点形式  46-47
    4.3.2 塔机焊接节点易出现裂纹的位置  47-49
  4.4 塔身焊接件疲劳计算  49-50
  4.5 影响塔机焊接强度的影响因素  50
  4.6 本章小结  50-52
5 起重臂疲劳寿命分析  52-65
  5.1 疲劳破坏机理  52-53
    5.1.1 裂纹的形成机理  52
    5.1.2 裂纹的扩展机理  52-53
    5.1.3 疲劳裂纹失稳断裂  53
  5.2 塔机起重臂疲劳裂纹分析  53-55
    5.2.1 起重臂载荷分析  53-54
    5.2.2 起重臂裂纹形成点分析  54
    5.2.3 起重臂裂纹的扩展分析  54-55
  5.3 损伤力学分析裂纹形成  55-60
    5.3.1 起重臂下弦杆与斜腹杆焊接处疲劳裂纹形成寿命  55-56
    5.3.2 起重臂下弦杆疲劳裂纹形成寿命  56-59
    5.3.3 材料常数的确定  59-60
  5.4 裂纹扩展分析  60-62
    5.4.1 应力强度因子 K 选择  60-61
    5.4.2 裂纹长度的确定  61-62
  5.5 起重臂疲劳裂纹寿命关系式  62-64
  5.6 本章小结  64-65
6 总结与展望  65-67
  6.1 全文总结  65
  6.2 展望  65-67
致谢  67-69
参考文献  69-73
附录一作者在攻读硕士学位期间发表的论文  73

塔式起重机疲劳破坏机理的分析研究

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