旋挖钻机底架损伤容限设计及疲劳可靠性分析

作     者：赵龙 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：成建联

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：旋挖钻机底架 疲劳寿命 损伤容限 NASGRO模型 疲劳可靠性 裂纹扩展 

摘      要：旋挖钻机作为桩工机械的主力机种,在国民基础设施建设中发挥着重要作用。旋挖钻机工作环境恶劣,承受载荷复杂多变。底架结构作为支撑整个旋挖钻机工作载荷的部位,其疲劳寿命与可靠性将对整个旋挖钻机的工作产生重要影响。本文以国内某公司生产的一款旋挖钻机底架结构作为研究对象,对其进行损伤容限设计及疲劳可靠性分析,主要研究内容如下:首先对旋挖钻整体的工作原理进行分析,考虑不同工况下旋挖钻机底架的受力情况,利用SOLIDWORKS与Workbench软件对其进行三维建模与有限元静力学分析,得出容易出现初始疲劳裂纹的位置为底架回转圆盘支撑板处。对比分析了机械结构在含裂纹时的疲劳寿命预测方法,Paris模型在对含裂纹结构承受常幅载荷时进行预测时,可以较好的预测出裂纹在中速率扩展阶段的扩展行为,对于含裂纹结构承受变幅载荷时,NASGRO模型具有优势,此模型将裂纹闭合效应考虑在内,应用条带屈服模型将不同载荷水平之间的相互作用纳入模型中,对承受变幅载荷作用下的裂纹扩展行为可以更好的模拟。在危险位置建立初始裂纹,将载荷谱进行雨流计数处理,结合n Code软件分别应用NASGRO模型与Paris模型对裂纹扩展寿命进行预测,结果显示采用NASGRO模型预测的寿命为9.09E5次载荷循环,而采用Paris模型预测结果为1.631E5次载荷循环,通过对旋挖钻机危险点载荷谱的分析,其载荷复杂多变,需要考虑不同水平的载荷之间的相互作用,最终取NASGRO模型的分析结果作为寿命预测结果。针对旋挖钻机支撑板部位的具体结构特征对Q345的S-N曲线进行修正,将载荷谱进行威布尔分布拟合,对疲劳强度进行正态分布拟合,应用应力-强度干涉模型对底架结构进行疲劳可靠性计算,计算可靠度结果为0.8597,证明底架结构在使用期间可能发生失效,应该依据裂纹扩展情况及时检修。