重型机械结构的疲劳寿命分析

131中国设备工程EngineeringhinaCPlant

中国设备工程 2018.10 （上）目前工程项目建设规模扩大，工程建筑项目开展

的过程中，做好机械结构疲劳寿命预测工作是极为必要

的，选用可靠性方法不仅能够保证机械结构安全性，而

且还能大大提高机械运行效率。

1 理论介绍

1.1 机械结构疲劳

机械设备长时间运行会出现疲劳现象，严重者还

会产生裂纹，导致机械设备完整性被破坏，这在一定程

度上会加大机械设备运行风险，降低机械结构可靠性。

机械设备疲劳表现在两方面，第一方面即机械结构发生

塑性应变，第二方面即机械设备发生弹性应变，由于机

械设备疲劳受多种因素影响，如果影响因素未能合理控

制，那么疲劳度会在短时间内大大增加。常见影响因素

主要有温度、载荷等，因此，预测机械结构疲劳度寿命

时应综合考虑，这对疲劳度等级划分有依据作用。

1.2 机械结构可靠性

机械结构可靠性贯穿于设计阶段、实际使用阶段、

维修养护阶段，机械结构可靠性影响因素较多，其中，

材料性质、材料尺寸及形状、使用环境、负载情况对可

靠性有关键性影响，间接影响机械设备使用性能以及使

用寿命。随着机械结构运行时间的延长，机械机构故障

问题随之增多，会不同程度的威胁建筑工程安全性，基

于此，相关部门高度关注，并分析机械结构疲劳问题产

生原因，提出问题处理的相应措施，制定机械结构可靠

性方法。

2 基本现状

机械结构之所以会出现构件失效现象，主要是因

为机械结构疲劳寿命缩短导致，现如今，机械设备应用

范围不断拓展，机械设备只有增强性能，才能提高在高

温、高速这类严苛环境中的适用性。随着科学技术的不断发展，机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法不断创新，

这对机械结构优化有重要意义。

2.1 疲劳寿命预测现状

目前，相关学者深入研究机械结构疲劳寿命论题，

研究视域相对广阔，针对多类型交通工程展开分析。实

际预测的过程中，以虚拟模型构建为基础，有步骤进行

疲劳寿命测试。其中，所构建的虚拟模型具有成本低廉、

先进技术融合应用等优点，但虚拟模型呈现的真实性较

基于ANSYS的滑移装载机动臂有限元分析与优化

引言

滑移装载机（也称为滑移装载机）是一种用于装运和卸载材料的重型机械设备，通常用于建筑和土木工程领域。其主要部件之一是动臂，用于支撑和操作斗齿进行装载工作。为了提高滑移装载机的工作效率和安全性，有限元分析和优化成为了必不可少的工具。本文旨在通过使用ANSYS软件对滑移装载机动臂进行有限元分析，并通过优化设计来提高其性能和寿命。

一、 动臂结构分析

1. 动臂结构设计

滑移装载机动臂通常由钢材制成，具有复杂的结构形式，包括主梁、支撑臂、铰接部件等。在设计动臂时需要考虑到承载能力、刚度、重量和成本等因素，以确保其具有足够的强度和刚度来承受工作中的压力和载荷。在设计动臂结构时，需要注意材料的选择、横截面形状、轴向载荷和弯曲载荷的影响，以及动臂与其他部件之间的连接方式等因素。

2. 有限元建模

有限元分析是一种工程仿真方法，通过将连续体划分成离散的小单元来进行模拟，用以研究结构在受力情况下的变形和应力分布。在进行动臂有限元分析时，需要首先对动臂进行三维建模，然后进行网格划分和材料属性定义，最后设置载荷和边界条件进行仿真分析。

3. 动臂应力分析

通过ANSYS软件进行动臂的有限元分析，可以得到动臂在不同载荷下的应力分布情况，包括主梁、支撑臂、铰接部件等关键部位的应力值和变形情况。通过分析动臂的应力分布，可以找出结构的薄弱环节和受力不均匀的部位，为后续的优化设计提供重要的参考。

二、 动臂优化设计

1. 材料选择优化

首先需要对动臂使用的材料进行优化选择，考虑到其强度、刚度、密度和成本等因素。在保证动臂强度和刚度的前提下，选择尽可能轻量化的材料，以降低整个装载机的自重，提高其工作效率和节能性能。

2. 结构形式优化 通过有限元分析得到的应力分布情况，可以对动臂的结构形式进行优化设计。例如在关键部位增加加强筋、进行优化的横截面设计、改进铰接部件的连接方式等，来提高动臂的整体性能和寿命。

第２期（总第１６５期）　２０１１年４月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．　

文章编号：１６７２—６４１３（２０１１）０２—０１２６—０２　

基于断裂力学的起重机主梁寿命计算及安全评估　

马　文　

（太原重型机械集团有限公司技术中心，山西　太原０３００２４）　

摘要：结合动、静态应力测试，引用断裂力学的相关知识，在裂纹失稳后逐步扩展的过程中，计算含裂纹起重　

机主梁的安全性，进而推算主梁焊接结构的寿命。　

关键词：起重机；断裂力学；疲劳寿命　

中图分类号：ＴＨ２１５　文献标识码：Ａ　

０　引言　传统的疲劳强度计算方法是在大量疲劳试验统计　

结果的基础上获得载荷一循环次数曲线，并在此基础　

上利用疲劳图对失效和寿命进行预测。对于实际起重　机的焊接构件，在制造和使用过程中，由于各种原因　

不同程度地存在各种缺陷（如夹杂、气孔、咬边、未熔合　和焊接裂纹等），这种带有缺陷的起重机在交变应力作　

用下，缺陷可能逐步扩展，最终在主梁的主要受力部　

位出现开裂情况。　断裂力学就是把疲劳设计建立在构件本身存在缺　

陷的理论基础上，按照裂纹在交变载荷下的扩展规律，　

估算结构的寿命。本文把断裂力学理论应用在起重机　主梁结构的疲劳开裂寿命研究中，估算主梁结构跨中　

附近区域上、下盖板角焊缝处的疲劳寿命，预测起重　

机主梁的疲劳寿命，进而对起重机主梁结构的使用安　

全性作出一个科学的判断。　

１起重机的一般安全评估顺序　起重机安全评估的一般顺序见图１。　

几何检测　（上拱度、下挠度等）　

根据以上分析　提出整改意见　桥机主梁危险截面　的动静态应力测试　及疲劳校核　

缺陷部位的断裂力学　评估，寿命的预测　

图１　起重机安全评估的一般顺序　２裂纹区的断裂力学计算　

２．１主要部位的裂纹形成　

断裂力学方法是在大量实验的基础上研究带裂纹　

材料的断裂韧性，研究含裂纹的构件在服役条件下裂　纹的扩展和止裂规律，它认为材料及构件本身就存在　

材料的疲劳寿命预测模型

材料的疲劳寿命预测模型是工程领域中一个重要的研究课题。疲劳寿命预测模型可以帮助工程师评估材料在长期循环加载下的性能稳定性和耐久性，从而指导设计和制造工作。本文将讨论一些常见的材料疲劳寿命预测模型，并探讨它们的应用和局限性。

在材料科学与工程中，疲劳是指材料在周期性加载下经历应力集中、微裂纹形成和扩展，最终导致疲劳断裂的现象。疲劳断裂在许多领域中都是一个重要的失效模式，比如飞机、桥梁、汽车和重型机械等。因此，通过预测材料的疲劳寿命，可以帮助我们更好地理解和优化材料的性能。

常见的疲劳寿命预测模型主要分为基于经验和基于物理原理的两种。基于经验的模型是利用试验数据来建立统计模型，根据材料的历史表现来预测其未来行为。常见的经验模型包括S-N曲线法、D-N曲线法和Smith-Watson-Topper模型等。基于物理原理的模型则是基于材料的微观结构和物理行为建立的模型，常见的有裂纹扩展理论和应力集中因子法等。

S-N曲线法是最常见的疲劳寿命预测方法之一。该方法通过将不同应力幅下的循环寿命与应力振幅作图，得到一条曲线，即S-N曲线。通过该曲线，可以根据给定的应力幅来预测材料的疲劳寿命。然而，S-N曲线法的局限性在于，它只能适用于特定应力水平和加载方式下的情况。此外，S-N曲线法也忽略了材料的微观结构和物理行为，不能提供对寿命预测的深入理解。

裂纹扩展理论是基于材料的微观结构和裂纹行为建立的模型。该模型利用应力强度因子和裂纹形态参数来预测裂纹扩展速率和寿命。该方法适用于目标裂纹长度相对较长的情况，可以提供更准确的寿命预测。然而，裂纹扩展理论需要大量的试验数据和复杂的数学计算，所以在实际应用中存在一定的限制。 在实际应用中，疲劳寿命预测模型的选择要根据具体情况而定。不同材料的疲劳寿命受到多种因素的影响，比如应力水平、加载方式、温度和环境等。因此，针对不同材料和应用场景，需要综合考虑不同的模型优缺点，选择合适的寿命预测方法。