工业机械疲劳应用统计学研究
导读：1998年，刘晋川、饶京川将有限兀方法应用到起重机金属结构疲劳寿命估算中，确定了金属结构中容易疲劳破坏的点，并以某岸边集装箱起重机为研究对象，研究在产品设计阶段，建立了对金属结构疲劳寿命进行预测的基本计算方法.由本站硕士论文中心整理。
第一章绪论
1. 1本课题的研究背景和目的
起重机被广泛应用十冶金、石油、化工、水利、核电、港口运输、建筑、船舶、航空航天、采矿、机械加工等领域，承担重要的物料搬运、设备安装等责任[m。例如，目前世界上最大的桥式起重机总体高度118m，主梁跨度125m，最大起升重量达20160T,定位精度达到lOmm，全部创下世界之最，使许多大型工程(巨型轮船、航空母舰、潜艇制造等等)成为可能或者提高生产效率，这是其它类型的物料搬运设备所无法完成或很难完成的。金属结构部分是整台起重机中最重要的部分，特点是使用周期长，建造费用高(占到整机成本的1 /3以上「’])，通常情况下是不可更换的，决定起重机的整体寿命，只能维护保养，ifu }_其安全可靠性不仅影响生产，还涉及人生安全。起重机金属结构在工作过程中主要承受反复的交变载荷作用，产生疲劳破坏。据相关资料统计，金属结构的破坏有50%}-90%属十疲劳破坏[2]。因此，对起重机金属结构进行可靠性评估，并根据可靠性评估进行相应的安全检测和维护，从}fn保证其能够安全有效地工作[f=}l, f4l
目前，国内外起重机金属结构的安全检测大都是定周期结合起重机工作状态，由检测人员对基本的和重要的金属结构部位进行安全检测，做出维修计划安排[[3], [4], [5]。比较先进的技术是在金属结构的重要部位安装应变片，经过技术处理转化为裂纹扩展值，再根据断裂力学知识评判安全状况和制定维修计划等工作。
故障诊断领域的专家已经达成共识:定周期检测、维修设备是不科学的，会造成耽误生产、浪费检测资源(人力、物力、时间)等问题，预知维修才是科学的方法[f5l。本文的研究目的就是结合工程结构可靠性理论和起重机工作的特点，建立桥式起重机金属结构可靠性分析模型，评判其可靠性，指导检测和维修，做到预知检测、维修。
1.2本课题的国内外研究现状
鉴十起重机金属结构疲劳可靠性评估对十起重机安全运行和预知检测、维修具有重要的指导意义，国内外专家、学者进行了大量的研究工作。目前，在该领域内，国外研究发展状况大致如下:1989年，Pustovoi.V.N通过研究起重机圆环梁和横梁结构的金属板的裂纹沿不同方向的扩展速率，估算金属结构剩余疲劳寿命[f}l。该方法首先分析作用在起重机金属结构上的载荷，确定应力集中系数，再制定出结构的疲劳载荷谱，然后与金属结构的疲劳寿命曲线进行比对计算，最后可以快速地估算金属结构的剩余疲劳寿命，同时，可以改变起重机的工作载荷，调控裂纹的扩展速率和疲劳失效过程;1996年，Milman.Raymond.S认为起重机金属结构疲劳破坏的主要原因是作用在起重机金属结构上的应力幅值，以往采用金属结构的最大应力值作为参数进行疲劳寿命估算的方法会导致评价结果过十保守，并目_结合了具体的工程实例证明了采用最大应力值作为参数进行疲劳寿命估算是偏十保守的，因此，他将金属结构的应力幅值作为参数，结合累积损伤理论对起重机金属结构进行疲劳寿命估算[7];1999年，俄罗斯科学家V.A.Kopnov采用名义应力法，根据起重机金属结构不同部位的S一N曲线对森林伐木起重机金属结构进行了疲劳寿命估算[6];2003年，Maguire.J.R对服役超过20年的某港口起重机金属结构，根据作用在金属结构上的应力历程，分析不同失效概率下金属结构的剩余疲劳寿命，进行了基十剩余疲劳寿命的风险评估。英国和德国分别在2004年和2006年颁布了起重机钢结构性能的极限状态和检验规范[6]，[7]。
国内研究发展状况大致如下:上世纪90年代初，太原重机学院(现更名为太原科技大学)的土生、徐克晋等人采用断裂力学知识估算起重机箱形梁的疲劳寿命[6]，[7]，[8];1996年，顾伟、董达善考虑到起重机在不同服役期内，金属结构的疲劳可靠度不同，首先通过对起重机服役时的应力时间历程进行测量，然后根据测量的结果估算了某种型号的门座起重机金属结构的剩余疲劳寿命;1998年，刘晋川、饶京川将有限兀方法应用到起重机金属结构疲劳寿命估算中，确定了金属结构中容易疲劳破坏的点，并以某岸边集装箱起重机为研究对象，研究在产品设计阶段，建立了对金属结构疲劳寿命进行预测的基本计算方法;肖汉斌、陶德馨以名义应力法为基础，结合钢结构设计规范，建立了起重机金属结构剩余寿命估算的方法和思路，并通过实例计算，证明了该方法的可行性和工程实用性;2002年，李丹柯、熊莉根据试验和研究结论，经过总结，推导出桥、门式起重机焊接箱形梁的疲劳参数取值，以等幅载荷下的疲劳裂纹稳定扩展阶段的计算公式为基础，针对起重机金属结构承受随机载荷的特点，运用时间循环法，估算了桥、门式起重机焊接箱形梁的疲劳裂纹扩展寿命;2004年，连晋华讨论了起重机金属结构疲劳寿命的可靠性评估方法，并对冶金起重机金属结构的疲劳寿命进行了可靠性评估[6]，[7]，[8]。国内对十起重机金属结构检测和状态评估，目前除了采用“基十设计寿命的使用年限计算”和“基十断裂分析的安全巡查周期计算”两种方法来估算起重机安全使用期外，相关专家还从以下两个方面对起重机金属结构安全使用期进行了探讨:基十结构劣化指标的安全使用期预测和结构安全使用期预估中的名义应力法。
1.3本文的主要研究工作
本文主要基十机械疲劳应用统计学、概率断裂力学、工程结构可靠性理论及应用，结合试验，分析桥式起重机金属结构的可靠性理论，建立主梁在常幅载荷和变幅载荷下的累积损伤失效可靠性模型、概率断裂力学可靠性模型，并目_给出实例计算，具体章节安排如下:
第一章:绪论。简要介绍本论文研究的目的与意义、国内外研究现状、主要研究工作。
第二章:起重机金属结构可靠性分析的基本概念和原理。简要介绍起重机金属结构可靠性分析的基本概念和原理，包括起重机金属结构的极限状态与可靠性分析的概、起重机金属结构可靠性分析的基本方法和对比。
第二章:桥式起重机金属结构抗力分析。结合工程结构可靠性理论和起重机金属结构工作特点，分析影响桥式起重机金属结构抗力的主要因素、桥式起重机金属结构抗力的统计特性、基十剩余强度理论的起重机金属结构抗力模型、起重机金属结构抗力的可靠性模型。
第四章:桥式起重机金属结构累积损伤可靠性分析。通过试验，分析、总结、建立桥式起重机焊接箱形梁在常幅载荷和变幅载荷下、不同可靠度下的疲劳寿命公式，建立了桥式起重机焊接箱形梁在常幅载荷和变幅载荷下的累积损伤可靠性模型，并目_计算一台桥式起重机焊接箱形主梁在常幅载荷和变幅载荷下、基十不同可靠度下的剩余疲劳寿命。
第五章:桥式起重机金属结构概率断裂力学可靠性分析。通过试验，结合概率断裂力学知识，推导出计算桥式起重机焊接箱形梁裂纹扩展paris公式中材料参数c的公式，并求出其具体值及相关统计值，在此基础上建立了桥式起重机主梁在常幅载荷和变幅载荷下、基十概率断裂力学的可靠性分析模型，首次给出了应用应变法测量焊接箱形梁的断裂韧度。
第六章:总结与展望。总结全文的主要研究结论果及不足，提出本文需要完善的地方和需要进行下一步的相关研究工作。
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摘要 3-4
ABSTRACT 4
第一章 绪论 7-11
1.1 本课题的研究背景和目的 7
1.2 本课题的国内外研究现状 7-8
1.3 本文的主要研究工作 8-11
第二章 起重机金属结构可靠性理论的基本概念和计算方法 11-17
2.1 起重机金属结构的可靠性 11-13
2.1.1 起重机金属结构的极限状态 11
2.1.2 起重机金属结构的可靠性 11-13
2.2 均值一次二阶矩可靠性分析方法 13-14
2.2.1 线性功能函数情况下的 MVFOSM 可靠性分析方法 13-14
2.2.2 MVFOSM 可靠性分析方法的优缺点 14
2.3 改进一次二阶矩可靠性分析方法 14-17
2.3.1 AFOSM 可靠性分析方法的原理及计算公式 14-15
2.3.2 AFOSM 可靠性分析方法的优缺点 15-17
第三章 桥式起重机金属结构的抗力理论分析 17-25
3.1 影响桥式起重机金属结构抗力的主要因素及抗力统计特性 17-19
3.1.1 影响桥式起重机金属结构抗力的主要因素 17-18
3.1.2 桥式起重机金属结构抗力的统计特性 18-19
3.2 桥式起重机金属结构抗力的模型分析 19-25
3.2.1 基于剩余强度理论的起重机金属结构抗力模型 20-21
3.2.2 起重机金属结构抗力的概率模型 21-25
第四章 桥式起重机金属结构累积损伤可靠性分析 25-47
4.1 常幅应力状态下桥式起重机金属结构疲劳寿命可靠性分析 25-32
4.1.1 模型梁疲劳试验设备和方法 25-26
4.1.2 机械零部件 P-S-N 曲线方程试验数据处理方法 26-28
4.1.3 模型梁疲劳试验数据处理过程 28-32
4.1.4 小结 32
4.2 变幅载荷状态下桥式起重机金属结构疲劳寿命可靠性分析 32-40
4.2.1 变幅载荷状态下模型梁疲劳试验方法 32-39
4.2.2 变幅载荷状态下模型梁疲劳寿命修正 Miner 法则分析 39-40
4.2.3 小结 40
4.3 桥式起重机金属结构累积损伤可靠性分析 40-42
4.3.1 模型梁疲劳破坏规律总结 40-41
4.3.2 桥式起重机金属结构累积损伤可靠性分析模型 41-42
4.3.3 小结 42
4.4 实例计算 42-47
第五章 桥式起重机金属结构概率断裂力学可靠性分析 47-63
5.1 模型梁概率断裂力学可靠性分析 47-55
5.1.1 常幅载荷下模型梁裂纹扩展paris 公式中的 C 值推导 47-48
5.1.2 变幅载荷下模型梁裂纹扩展paris 公式中的 C 值推导 48-55
5.1.3 小结 55
5.2 桥式起重机主梁概率断裂力学可靠性分析 55-59
5.2.1 常幅载荷下桥式起重机主梁概率断裂力学可靠性分析 56-58
5.2.2 变幅载荷下桥式起重机主梁概率断裂力学可靠性分析 58-59
5.3 应变法测量焊接箱形梁焊缝的断裂韧度 59-63
5.3.1 理论推导 60-61
5.3.2 试验数据及处理方法 61-62
5.3.3 小结 62-63
第六章 总结与展望 63-65
6.1 全文总结 63
6.2 进一步的工作 63-65
参考文献 65-69
致谢 69-71
攻读学位期间发表的学术论文 71-72
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