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极地船用起重机吊臂疲劳裂纹扩展分析
| 论文题名： | 极地船用起重机吊臂疲劳裂纹扩展分析 |
| 关键词： | 船用起重机;吊臂;EH36钢;疲劳裂纹扩展 |
| 摘要： | 在寒冷气候下作业时，船舶与海洋工程结构的性能会受到环境条件的显著影响。由于船用起重机吊臂是大型工程结构，在生产加工和使用阶段，会不可避免地形成一些材料缺陷从而引发表面三维裂纹的萌生。在低温恶劣环境及起吊货物的交变载荷作用下，极易产生裂纹扩展而导致结构的失效，因此研究吊臂在恶劣工作环境下的裂纹扩展特性及寿命具有重要的意义。 本文针对极地环境下船用伸缩臂起重机吊臂的疲劳裂纹扩展问题，主要开展了以下工作： 以断裂力学理论为基础，采用最小二乘法拟合EH36不同温度和应力比下穿透型直裂纹的Paris疲劳裂纹扩展模型材料参数和裂纹扩展速率公式。通过公式推导，由da/dN-△K关系曲线近似得到EH36在不同温度下的S-N曲线，为研究EH36材料特性提供初步参考。 使用M积分计算标准CT试样裂纹前缘应力强度因子，研究不同加载和不同预制裂纹长度对裂纹前缘应力强度因子的影响。通过裂纹扩展过程中的应力强度因子与理论值的对比，以及疲劳裂纹扩展寿命与试验结果的对比，得到EH36疲劳裂纹扩展相关规律，验证本文所采用的疲劳裂纹扩展数值模拟方法的合理性，以及所拟合的Paris模型材料参数的准确性，为后续研究奠定基础。 建立某极地船用起重机吊臂有限元模型，分析其所受载荷和边界条件，对不同工作状态、工作幅度、基本臂仰角、起重量的六种吊臂典型工况在不同温度下进行静力学分析，得到应力和应变分布情况，吊臂易产生应力集中的危险区域位于基本臂上盖板尾部与吊耳结构角点附近，最大位移位于伸出臂头部。依据相关规范校核吊臂结构的强度和刚度，验证吊臂满足强度和刚度要求。 根据静力学分析的结果以及文献研究，确定吊臂裂纹扩展分析的初始裂纹位置、尺寸和临界裂纹尺寸。运用FRANC3D软件剖分吊臂结构子模型，建立含初始裂纹的吊臂有限元模型。使用M积分计算初始裂纹前缘应力强度因子，基于Paris疲劳裂纹扩展模型预估吊臂在不同温度下的疲劳裂纹扩展寿命，得到裂纹扩展寿命占整体裂纹扩展寿命90%以上时对应的裂纹深度。在此基础上，研究不同温度下，初始裂纹深长比、裂纹深度和裂纹角度对裂纹扩展寿命的影响规律，并通过正交数值试验，确定在试验条件下各因素对疲劳裂纹扩展寿命影响重要程度依次为：裂纹深度、深长比、温度及裂纹角度。 |
| 作者： | 冯宇佳 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 赵杰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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