基于Ansys的桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹研究.pdf

基于 Ansys的桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹研究
殷玉枫曾光吕西波张孟辉
1太原科技大学太原0300242华电郑州机械设计研究院有限公司郑州450052
摘要:桥式起重机箱形粱是典型的薄壁结构,由于起重机受载情况及本身结构焊接缺陷等因素,在箱形
梁上很容易出现疲劳裂纹。针对桥式起重机箱形梁疲劳裂纹现象,借助 Ansys有限元软件,对箱形梁典型工况进
行受载分析,判断出裂纹的位置及其产生原因;运用断裂力学和 Ansys软件分析模拟出箱形梁疲劳裂纹的应力
场、位移场以及应力场区域的大小,对起重机箱形梁进行疲劳裂纹扩展以及剩余寿命的预估都有意义。
关键词:桥式起重机;箱形梁;裂纹;Ansy;研究
中图分类号:TH215文献标识码:A文章编号:1001-0785(2012)11-0091-04
Abstract: The box girder of overhead travelling crane features typical thin-wall structure, in which fatigue crack can
appear easily due to load situation and weld defects of the crane, etc. Considering such case, the Ansys finite element soft-
ware is adopted for load analysis of typical working conditions of the box girder in order to figure out the position and causes
of any crack, and the fracture mechanics and Ansys software are adopted for analysis and simulation of the stress field
displacement field of the fatigue crack in box girder, as well as the size of stress field, which is significant to estimate the
fatigue crack expansion and remaining life of the crane box girder.
Keywords: overhead travelling crane; box girder; crack; Ansys; research
0前言
简化为一端是固定铰支座,另一端是活动铰支座
简支梁的形式。由于箱形梁自重较大,且其本身
桥式起重机(以下简称桥机)梁结构材料本为均匀体,故其自重载荷可看作均布载荷,起重
身和焊接部位不可避免的存在着毛细孔、材料的小车和吊重可看作集中载荷作用。图1为桥机
裂隙以及焊接的应力集中等缺陷,这些初始缺陷箱形梁及截面的示意图。
使起重机梁结构材料的实际强度低于理论模型,
而这些结构部件在外界不断循环变化的载荷的作
用下,造成初始缺陷部位的不断聚合、扩展延伸,
形成了宏观的细小裂纹;最终在加载条件下,裂
纹不断地扩张,导致桥式起重机粱结构材料的断
裂破坏。而疲劳裂纹的静止、平衡与扩展,都和
疲劳裂纹尖端处的应力场以及位移场有着直接的
图1箱形梁及截面示意图
关系,因此研究裂纹尖端附近的应力场和位移场,
对疲劳裂纹的扩展及箱形梁的寿命的分析都具有
由于桥机箱形梁满足径厚比较大,材料各向
重要的意义。
异性不严重,为典型的薄壁箱形梁结构。结合起
本文运用 Ansys对桥机典型工况进行有限元分
重机箱形梁的结构及受力特点,选用 Shelll6 t3单元
析,得出箱形梁各个部位的应力与变形情况,找出来建模2。在分析时,需要表明的结构参数有弹
裂纹源。将断裂力学与Amys结合起来,分析这些性模量、材料的泊松比及其密度。本文选用Q235
裂纹尖端的位移场和应力场,研究这些场的大小。
钢材作为梁结构的材料,该材料的弹性模量为
2.05×10°MPa,泊松比为0.3,密度为7800kg/
1桥机的典型工况
m3,屈服极限为2.35×102MPa。
在垂直载荷的作用下,桥机焊接箱形主梁可
以起重量为5t、小车自重为0.62t、跨度为
《起蜇运翰机械》2012(1
22.5m、工作级别为A5的桥机为例,分析起重机
的受力及变形特点。
2桥机疲劳裂纹分析
限于文章篇幅有限,本文只分析桥机的起重
1箱形梁的应力场与位移场分析
小车满载处于跨中升降,考虑桥榘自重及其他固
取裂纹尖端处为坐标原点,r、日为极坐标,
定载荷,并附加起升动载荷系数和起升冲击载荷根据弹性力学的基本理论,推导出疲劳裂纹尖端
系数的工况。图2为起重机箱形梁的挠度曲线,任意位置(r,)处的应力分量和位移分量。
图3为起重机箱形梁的VON. MISES等效应力
由于起重机的疲劳裂纹大部分为I型裂纹,故
云图。
在此将起重机箱形梁Ⅰ型裂纹的模型看作是一个无
限大板,裂纹的长度为2a,在板的两端看作是有
均匀的拉应力o作用。
它的边界条件为:由于在疲劳裂纹的表面处
没有外力的作用,也即y=0,x=0;而在板的边缘处,也即zl→处,,=σ,
=,て=0。根据以上条件可以推出尖端附近的
应力场和位移场的表达式为
Ki
- sin
sin
图2小车满载跨中的挠度曲线
vimy
兀y
Ki
38
Tty
0
平面应变
=0平面应力
4CI
(28-1)
cos
Cos
44X10
774X1
2B+1)s
0_。:36
图3满载跨中的VON. MISES等效应力云图
0平面应变
由前述分析可知,在满载起重机小车位于箱
形梁的跨中截面起升的工况下,由于载荷的质量
u=ーJ(o,+,)d平面应力
以及起重小车自身的质量,箱形梁上的Y向最大
式中:r、O为裂纹尖端附近的极坐标,ル、D
正应力出现在箱形梁跨中截面的上、下翼缘板处,の分别为位移分量,の,、の。、,、て、、て分别
与其他几种工况相比,此时箱形梁跨中上、下翼为应力分量,G为剪切弹性模量,为泊松比。
缘板的应力最大。由VON. MISES应力云图可以求
-4y平面应变
出其应力值,再由挠度曲线图得出其各个位置的
=く3
平面应力
位移变形情况。
另外,由箱形梁的受力及焊接结构特点可判2.2裂纹尖端屈服区的大小分析
断出其疲劳裂纹的位置主要集中在箱形梁跨中翼
对于桥机焊接箱形梁,分析其裂纹前端塑性区
缘板受拉侧与大隔板焊缝相接触部位;端梁与主的大小,可确定塑性区的真实形状和真实尺寸,还
梁相接处部位,包括此处的焊接区;上盖板与腹可由塑性区的尺寸大小来确定裂纹尖端的应力松弛
板焊缝处裂纹?
情况,更便于判断裂纹目前的状态及其发展趋势
《起重运输机械》2012(11)