起重机金属结构疲劳寿命预测与疲劳可靠性分析

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1、西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：(1)根据疲劳载荷谱的测试原理和内容，设计了一种基于DASPV10智能数据采集和信号处理系统的桥式起重机金属结构应力和动态响应测试方案；(2)利用累积损伤理论和线弹性断裂力学(LEFM)理论，建立了起重机金属结构疲劳断裂可靠度计算模

2、型；(3)根据起重机金属结构疲劳断裂可靠度计算模型，利用MontCarlo数值模拟法计算了门式起重机焊接箱形梁的疲劳可靠度。学位论文作者签名：枷筝日期：卅。，；·／彳西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1结构疲劳强度与疲劳可靠性科学在发展，人们对客观世界的认识在发展，疲劳是人们在生产劳动中逐渐发现并研究掌握的力学现象。产业革命后，许多机器的断裂事故令工程师们烦恼不己，破坏往往发生在零部件的应力集中处，名义应力并不高，低于材料的强度极限和屈服极限。1839年法国工程师彭西列特首先采用了“疲劳"这一术语，用来描述材料在交变载荷下承载能力

3、逐渐耗尽以至最终断裂的破坏过程。1850年有“疲劳试验之父"之称的沃勒设计出了第一台疲劳试验机，开始了对金属疲劳的深入系统研究。逐渐地，“疲劳”发展成为一门拥有众多理论成果的经典学科，名义应力法、局部应力应变法、损伤容限法等疲劳寿命计算方法已经广泛应用于工程实践中。循环载荷是机械结构承受的主要载荷形式，据统计，因交变载荷引起的疲劳断裂事故占机械结构失效总数的95％E¨，疲劳问题越来越受到重视。疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点逐渐产生了局部的永久结构变，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程[21。近几十年，随

4、着机械向高温、高速和大型化方向发展，机械的应力越来越高，使用条件越来越恶劣，疲劳破坏事故更是层出不穷。因此，许多发达国家越来越重视疲劳强度的研究工作，疲劳学术论文数量直线上升。客观世界纷繁复杂，人类在认识和把握客观世界的过程中往往存在局限性，一些偶然因素使事物发展的结果不可能准确地预测，这种由于条件的不确定性而形成的后果的不确定性称为随机性。工程中可能遇到的随机性可大致归纳为以下几个方面【3】【41：(1)结构材料特性的随机性。由于制造条件、材料的多相特征等因素的影响，使工程材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、强度及密度等具有随机性；(2)结构几何

5、尺寸的随机性。由于制造等误差，结构的尺寸如梁、柱的横截面积、惯性矩、板的厚度等具有随机性；(3)结构载荷的随机性。结构在工作条件下可能受随机的激励作用，如工西南交通大学硕士研究生学位论文第2页程机械承受的振动载荷、风载荷作用，又如结构设计的载荷可能与实际工作载荷在一定的范围内有偏离，这种载荷的偏离也可模型化为随机载荷来分析；(4)结构初始条件和边界条件的随机性。由于结构的复杂性和结构尺寸的随机性等因素的影响，结构(或构件)之间的连接、接触等边界条件具有随机性：(5)计算模型的不确定性。客观现象与主观描述或预测的现象之间存在某些偏离，而这些偏离又表

6、现出某种统计规律性，可以在概率的意义下来把握这种偏离。用概率统计方法来处理疲劳试验数据是从本世纪四十年代开始的【5】。1949年，W．威布尔发表了著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。1959年，J．A．波普指出，疲劳试验的寿命数据是符合对数正态分布的。在第二次世界大战中，美国不少军用飞机因电子系统常出故障而不能起飞，由此提出了“可靠性"的问题，并从1950年开始，对电子系统开展了可靠性研究。当时，美国国防部成立了研究电子设备可靠性的专门机构，1957年发表了研究报告。1961年，EB．斯图伦等人在机械设计中考虑了材料的疲劳极限的概率分布。19

7、64--、一1969年，美国人E．B．豪根对两个正态分布函数的代数运算进行了分析，为强度干涉模型的可靠度计算奠定了基础。从1970年开始，美国人D．凯塞乔格罗完善了用强度干涉模型进行可靠性设计的一套方法，使疲劳强度的可靠性研究走上了一个新的阶段。结构可靠性通常定义为：在规定的使用条件和环境下，在给定的使用寿命期间，结构有效地承受载荷和耐受环境而正常工作的能力。结构可靠性的数量指标通常用概率，即结构的可靠度表示。结构的可靠性是一个广义的概念，通常包括结构的安全性和耐久性两个方面。静载和瞬态动载作用下结构可靠性研究的重点是结构的安全性问题。循环载荷作

8、用下结构系统可靠性研究的重点通常是结构的耐久性问题。结构可靠性理论分为结构元部件可靠性理论和结构系统可靠性理论两个层浏酬。1．2现代抗疲