基于裂纹扩展的疲劳寿命预测及在起重机金属结构中应用

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1、博士学位论文基于裂纹扩展的疲劳寿命预测及在起重机金属结构中应用↑（FATIGUELIFEPREDICTIONBASEDONCRACKPROPAGATIONWITHAPPLICATIONINCRANEMETALICSTRUCTURE↑（詹伟刚↑（宋体小2号字加粗）哈尔滨工业大学←（楷体小2号字加粗）2014年10月（年、月用阿拉伯数字，宋体、TimesNewRoman小2号字加粗）国内图书分类号：TH21学校代码：10213国际图书分类号：621.8密级：公开↑↑（宋体小4号字）（宋体小4号字）工

2、学博士学位论文↑（宋体小2号字加粗）基于裂纹扩展的疲劳寿命预测及在起重机金属结构中应用（黑体2号字）博士研究生：詹伟刚导师：陆念力教授冒号左侧用黑体4申请学位：工学博士号字,冒号学科：机械设计及理论右侧用宋体4号字，所在单位：机电工程学院多倍行距答辩日期：2014年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH21（TimesNewRoman小4字）U.D.C:621.8（TimesNewRoman小4字）DissertationfortheDoctoralDegreei

3、nEngineering↑（TimesNewRoman小2号字）FATIGUELIFEPREDICTIONBASEDONCRACKPROPAGATIONWITHAPPLICATIONINCRANEMETALICSTRUCTURE↑（TimesNewRoman2号字加粗，题目太长时可用小2号字）Candidate：ZhanWei-gangSupervisor：Prof.LuNian-liAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：M

4、echanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：Oct.,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology（TimesNewRoman4号字）摘要摘要起重机作为国民经济建设中不可或缺的重要设备而广泛使用，在工厂车间、施工工地、港口、货场等频繁的工况载荷下，疲劳导致起重机金属结构失效问题逐渐突显。随着起重机向着大

5、型化、轻柔化的方向发展，高强度结构钢的使用也更为广泛。实验研究表明高强度钢的屈服应力和极限应力相对普通结构钢有大幅度的提高，而载荷多变带来疲劳对起重机结构造成的影响大为加剧，人们在关注结构刚度、强度、稳定性的同时，对疲劳性能的研究却相对较少。为保证起重机可靠的工作，不仅需要对强度、刚度和稳定性进行分析，还需要对起重机的疲劳损伤分析和剩余寿命进行分析预测。本文以起重机结构疲劳为研究对象，基于扩展有限元理论给出裂纹尖端应力强度因子的求解方法，研究影响裂纹扩展速率的因素，探讨起重机金属结构疲劳寿命预测

6、中需要明确的要素，得出相应的求解方法和策略，并对起重机典型疲劳结构进行裂纹扩展路径模拟和考虑载荷次序用功率谱函数进行起重机疲劳寿命预测。应力强度因子是基于断裂力学进行疲劳寿命预测的重要参量之一，常规有限元法通过在裂纹尖端布置裂尖奇异单元，即四分之一节点单元而得到相应的数值解。但是随着裂纹的扩展，常规有限元方法的网格必须随着裂纹边界的变化重新进行划分，且裂纹的扩展必须沿着网格边界，使得常规有限元在处理裂纹等不连续问题时显得低效。扩展有限元法通过添加额外的节点自由度，网格划分不随边界的变化，可以很好

7、的处理不连续的问题。本文提出改进的水平集方法对裂纹界面进行识别和跟踪，结合扩展有限元法对裂纹尖端的应力位移场进行数值求解，并用M积分对复合型裂纹进行解耦。虽然扩展有限元法在Abaqus中进行了集成，但采用的补充函数等仍然存在一些不足，本文编写扩展有限元程序对裂纹结构进行数值计算并求取裂尖应力强度因子为后续研究奠定基础。为对起重机进行疲劳寿命预测，须先建立疲劳裂纹扩展速率的模型。经典裂纹扩展速率Paris公式中的参数在不同应力比工况下需用大量的实验进行求取，为此本文提出一种新的考虑应力比影响裂纹扩

8、展速率的模型，针对起重机中最常用的各种材料的试验数据进行验证，鉴于起重机频繁起制动造成反复冲击载荷的恶劣工作环境，本文研究冲击过载对裂纹扩展速率的影响，并用Wheeler模型描述起重机常用材料受单一超载的影响，给出相应的Wheeler模型参数，供起重机行业寿命预测使用。针对Paris公式存在的不完全相似性和不规则量纲的现象，基于Paris和Head公式建立一种指数形式的疲劳裂纹扩展模型，-I-哈尔滨工业大学博士学位论文此模型可以退化为Paris和Head模型，以此模型进行寿命预测并将之与已有文献