基于ANSYS FE-SAFE的强夯机臂架疲劳寿命分析

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大连理工大学

硕士学位论文

基于ANSYS/FE-SAFE的强夯机臂架疲劳寿命分析

姓名：杨庆乐

申请学位级别：硕士

专业：机械设计及理论

指导教师：屈福政

20091216

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大连理工大学硕士学位论文

摘要

强夯机强夯施工过程中反复将夯锤起吊到一定高度后，利用自动脱钩装置释放夯锤或带绳自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和冲击应力，以此来强化地基土，实现增加其承载能力的目的。强夯过程中起锤脱锤的周期性作用以及夯锤落地产生的强大冲击波影响着强夯机臂架的疲劳寿命，其作用机理研究有利于提高强夯机臂架结构疲劳设计的准确性。因此本文提出一种基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥ．ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析的方法。

本文使用三维实体设计软件Ｐｒｏ／Ｅ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳ构建了Ｂ型强夯机实体模型，并利用ＡＮＳＹＳ／ＦＥ—ＳＡＦＥ软件对臂架进行疲劳寿命分析。最后通过ＡＮＳＹＳ后处理模块得到强夯机臂架的疲劳寿命云图和疲劳安全系数云图，从而确定各局部结构的疲劳强度，为改进结构、提高疲劳寿命提供理论基础。

为获得强夯施工时地面对强夯机的作用，进行了强夯施工现场测试实验。采集夯锤落地时，履带架前端第一个支重轮处地震波载荷谱，利用Ｍａｔｌａｂ软件对载荷谱进行处理，得到一个可以在ＡＮＳＹＳ／ＦＥ—ＳＡＦＥ软件中加载的地震波载荷谱。通过理论分析计算得到起锤脱锤过程中作用在强夯机上的载荷谱。利用ＡＮＳＹＳ／ＦＥ．ＳＡＦＥ软件分别计算两个载荷谱单独作用和共同作用情况下臂架的疲劳寿命和疲劳安全系数。

将理论计算的疲劳寿命同强夯施工现场臂架出现疲劳裂纹的时间相比较，验证该计算方法的准确性。分析疲劳计算结果，提出臂架结构的改进方案。对新结构的疲劳寿命分析，验证改进方案的可行性。

本文的研究结果为强夯机结构设计制造及强夯现场的安全施工提供了重要参考。关键词：强夯机；臂架；疲劳；ＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥ

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基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｉｂｒａｔｉｏｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆＤｙｎａｍｉｃＣｏｍｐａｃｔｏｒＨｙｄｒａｕｌｉｃ

Ｄａｍｐｉｎｇ

Ａｂｓ廿ａｃｔ

．ｎｌｅｈａｍｍｅｒｉｓｌｉｆｔｅｄｔｏａｃｅｒｔａｉｎｈｅｉｇｈｔｂｙｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒｒｅｐｅａｔｅｄｌｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅ

ｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｎｉｔｗｉｌｌｂｅｒｅｌｅａｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅ

ｒｏｐｅａｎｄｇｉｖｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅａｎｉｍｐａｃｔｏｆｓｔｒｏｎｇｅｎｅｒｇｙｔｏｔｈｅｇｒｏｕｎｄ．Ｓｏｔｈｅｓｈｏｃｋｗａｖｅｓａｎｄｉｍｐａｃｔ

ｐｕｒｐｏｓｅｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅ

ｃｏｕｒｓｅｓｔｒｅｓｓｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｓｏｉｌ．，ｎｌｅ

ｗａｖｅｏｆｌｏａｄｉｎｇａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｓｈｏｃｋｓｔｕｄｙｏｆｉｔｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｉｍｐａｃｔｅｆｆｅｃｔｓｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒ．Ｔｈｅ

ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｓｏｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｌｌｍａｋｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｏｏｍｍｏｒｅａｍｅｔｈｏｄｏｆ

ａｎａｌｙｚｉｎｇｆａｔｉｇｕｅ

ＴｌｌｉＳａｒｔｉｃｌｅ

Ｂ．ＴｈｅｎｉｔｕｓｅｓｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂｏｏｍｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＡＮＳＹＳ／ＦＥ—ＳＡＦＥｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．ｕｓｅｓＰＲＯ／ＥａｎｄＡＮＳＹＳｔｏｂｕｉｌｄａｐｈｙｓｉｃａｌｔｏａｎａｌｙｚｅｍｏｄｅｌｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒｏｆｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂｏｏｍ．ＡｎｄｔｈｅＡＮＳＹＳ／ＦＥ．ＳＡＦＥｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅ

ｎｅｐｈｏｇｒａｍｆａｔｉｇｕｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｏｓｔ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅｏｆＡＮＳＹＳ．Ａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｉｔ．ＴｈｉＳＣａｌｌｇｉｖｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ．ｏｆｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄ

Ａｔｅｓｔｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅｉｓｄｏｎｅｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅ

ｔｒａｃｋｒｏｌｌｅｒｗｈｅｎｔｈｅｈａｌＴｕＴｌｅｒｉｓ

ｓｏｆｔｗａｒｅｓｐｅｃｔｒｕｍｎｅａｒｔｈｅｆｉｒｓｔｌａｎｄｉｎｇ．ＡｓｐｅｃｔｒｕｍｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｉｎＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥｌｏａｄｉｎｇＣａｎｂｅｇｏｔｔｈｒｏｕｇｈｕｓｉｎｇｍａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ．，ｎｌｅａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｃｔｒｕｍｃａｒｌｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ

ｆａｃｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｂｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．ＴｈｅｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓａｆｅｔｙＣａｎｇｏｔｔｈｒｏｕｇｈｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ／ＦＥ．Ｓ陋Ｅｓｏｆｔｗａｒｅｗｉｔｈｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｔｗｏｓｐｅｃｔｒｕｍｓｓｅｐａｒａｔｅｌｙａｎｄｔｏｇｅｔｈｅｒ．

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ｔｏｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇ

Ｉｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔ．ＡｎｄｗｅｃａｎｕｓｅｔｈｅＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥｓｏｆｔｗａｒｅＲｅ—ａｎａｌｙｚｅｃｏｍｐａｃｔｏｒｔｈｅｂｏｏｍｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｃａｎｇｉｖｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅ．

Ｗｏｒｄｓ－ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒ；ｂｏｏｍ；ｆａｔｉｇｕｅ；ＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥｏｆｄｙｎａｍｉｃＫｅｙ

—ＩＩ—

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大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

学位论文题目：三蔓喜每矧彰巨乌ｋ亟童耋羔立！鲎匕曼垂ｉ蔓随作者签名：１尊刍丘圭０童二日期：２止年—上月＿：｝日

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大连理工大学硕士研究生学位论文

大连理工大学学位论文版权使用授权书

本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文题目．．盈钌强豸肛荪袈兵籍≮衫彳作者签名：艨日期：２里么Ｑ年—Ｌ月—Ｌ日导师签名：日期：乏里２垒年—Ｌ月Ｌ日

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１绪论

１１强夯法简介

强夯法…又称动力固结法（ｄｙｌｌａｌｎｉｃｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｒｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ），是用起重设备（专用强夯机或起重机配三角架、龙门架等）反复将８～４０ｔ（最重达２０００夯锤起吊到８～２５ｍ（最高达４０ｍ）高度后，利用自动脱钩释放载荷或带锤自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，从而提高地基的强度、降低压缩性、改善其抵抗振（震）动液化能力、消除湿陷性的一种有效地基加固方法。强夯过程使土中出现冲击波和冲击应力，迫使土体孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结的目的。强夯法作为一种主动加固地基的方法，将地基土本身作为一种可以满足技术要求的工程材料，充分地利用和发挥地基土体本身的力学性能，符台当前岩土工程的总原则。

强夯法具有诸多其它地基处理方法不可比拟的优点，如经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围广、施工周期短、利于环保等。强夯法在全球各类］：程的地基处理中得到了日益广泛的应用，也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方法之一。

强夯法自身也存在不足之处，主要是施工时会产生剧烈的震动和强烈的噪声，会对周围的环境产生一定的影响口。】，这些就制约了强夯法在城市中心地区的运用，但如果采取一定的隔震减噪措施，如挖减震沟，就可以相对克服强夯法的这些不足。

强夯机的工作过程可分为起锤、脱锤、夯锤落地夯击地面、挂夯锤，当一个夯点经过数次夯击满足施工要求时，再移到下一个夯点进行夯击，具体过程如图１．１所示。

图１Ｉ强夯施工币意图

Ｆｉｇ１１Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ

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基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析

１２强夯设备发展现状

２１１国外发展情况

强夯法起源于法国，１９６９年首先用于法国戛纳附近芒德利厄海边２０多幢八层楼居住建筑的地基加固工程。现场的地质条件表层４～８ｍ为采石场废石弃土填海造地，以下的１５～２０ｍ为夹泥灰岩。原拟采用桩基础，不仅桩长达３０～３５ｍ，而且负担摩擦所产生的荷载将占整个桩基础承载力的６０％～７０％，很不经济。后改用堆土预压加固，历时３个月，沉降仅２０ｃｍ。最后采用强力夯实，锤重８０ｋＮ，落距１０ｍ，只一遍就沉降了５０ｃｍ。房屋竣工后，基础底面压力为３００ｋＰａ，绝对沉降仅Ｉｃｍ，而差异沉降可忽略不计，随即引起了人们的注意。初期这种方法仅用于加固砂土和碎石土地基【６］。１９７０年，梅那在法国波尔姆一米莫萨港口工程中，用单击夯击能为８００ｋＮｍ的能量夯实６－－７ｍ厚的由云母页岩组成的回填土地基叉获得成功。１９７１年，梅那又发现用这种重夯法加固透水性较差的饱和土地基和冲积土地基也十分有效。

国外强夯机主要有三大类，分别为三角形固定桁架臂架式（如图１２左）；三角井字架式（如图ｌ２中）和大吨位安装用起重机１１（如图１２右）。

图１２国外强夯机类型

Ｆｉｇ１２Ｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｆｏｒｅｉｇｎｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｍｒ

在英国和美国，目前强夯工程中，绝大部分夯锤的重量在６００ｋＮ，落距在２０ｍ以内，施工也由履带起重机来实施。在英国，对】５０ｋＮ夯锤、落距１５ｍ，即能级２２５０ｋＮｍ的强夯称为高能级强夯（Ｆｕｕ ＳｃａｌｅＤｙｎａｍｉｃＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ），对能级为６０～１００ｋＮｍ的强夯称为低能级强夯（ＭｉｎｉＤｙｎａｍｉｃＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ），施工机械也由通用履带起重机来代替。采用履带起重机柬进行强夯时，一般起重机的最大额定起重量为夯锤重量的３～５倍。

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１２２国内发展情况

国内强夯施工从１９７５年开始介绍和引进至今，虽经历了二十多年发展，能级也已达到］００００ｋＮｍ，但施工设备仍大多以中小吨位安装用履带起重机作为改造对象，增加辅助装置来实现８０００ｋＮｍ以下能级的强夯作业（如图ｌ３）。这种改造的目的是增加作业时的抗倾覆稳定性，减轻重量或改善桁架臂杆的抗弯能力。应该说，这种改装后的“代用强夯机”虽然在８０００ｋＮｍ能级以下的夯实作业中具有机具使用一次性投入成本低的特点，但同时存在安全性差、使用效率低、消耗和维护成本高的缺陷。

图１３履带起重机替代强夯

Ｆｉｇ１３Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｒｅｐｌａｃｅｄｂｙｃｒａｗｌｅｒｃｒａｎｅ

目前，国内强夯机主要形式有两种，一种是以Ｗ２００Ａ起重机为代表的，在强夯臂杆中后部加装防后倾装置而成的强夯机（如图１．４左），它能满足夯锤重量不大于１８０ｋＮ，能级低于３０００ｋＮｍ的强夯施工；另一种以Ｗ１００１，ＱＵ２５，Ｗ２００Ａ等起重机为代表，加装辅助门架形成的“代用强夯机”（如图１４右）。但所有这些“代用强夯机”都存在着起重能力小（１５０～５００ｋＮ）、自重大（Ｗ２００Ａ进行３０００ＺＮｌｌｌ强夯作业时的自重达７６０ｋＮ；包括夯锤的工作重量达９４０ｋＮ）、接地比压高（Ｗ２００Ａ自重下接地比压０１２３ＭＰａ）、工作级别低、稳定性差的缺陷，而且这些机犁大部分都产生于７０－－８０年代，设

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计思想落后、传动与控制简单（全部属机械传动、液压或气动控制或机械控制）、传动效率低、可靠性差；外形尺寸庞大，给远距离运输带来不便的同时也增加了运输成本。

更大的隐患¨１来自作业安全，国内大多数“代用强夯机”机龄普遍较大，最长的超过３０年。还有，生产上述机型的抚顺挖掘机厂、长江起重机厂、杭州重型机械厂都己不生产或基本不生产这些产品，所以，没有技术支持和技术改进的设备，淘汰是必然的。从施工实践来看，由于这些机型在设计中未考虑强夯机的使用特性，工作级别叉偏低，所以结构件和零部件的损坏十分频繁，强夯作业的机械可靠性根本无法保证，强夯作业中的维修时间大大增加，使施工成本增加、生产效率降低。

进入９０年代，国内也曾尝试过用抚顺挖掘机厂生产的ＱＵＹ５０全液压履带起重机和日本神钢的ＰＨ５１７０型１５００ｋＮ履带起重机进行强夯施工，均因不太适合强夯施工和成本过高、效率太低而被强夯界放弃。

盐釜Ｆｉｇ１４酗１４代用设备强夯ｃｏｎｍａ甜ｏｎＤｙｎａｍｉｃｓｕｂ蚰ｕｔｉｏｎ

２０００年以柬，大连理工大学工程机械研究所丌始研究设计履带式专用强夯机，这是针对现代强夯施工作业特点和使用要求而设计开发的专用设备．较之以往替代设备，具有可提高使用寿命和作业的可靠性、明显降低冲击与振动、适用性广等诸多优点。履带式专用强夯机由履带行走机构、车架、转台及臂架系统组成，可实现行走、回转、起升、变幅等动作。此类强夯机已经形成系列产品（如图ｌ５）。图左一和左二为Ａ型机，左三为Ｃ型机，左四为本文研究的Ｂ型强夯机。Ａ型和ｃ型这两种型号的强夯机在施工过程中完成一个夯点向下一个夯点的移动过程中，可由驾驶员自行操作完成，不需要其他工作人员，大大的提高了工作效率。同时由于整机设计科学，受力合理，也使得旌工

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安全得到了有效的保证。尤其是Ｃ型强夯机，其牵引车相对要小很多，同时前端伸出一个Ａ字形车架，有两个支脚液压缸和两个车轮，由于支撑部分形成一个三角形且跨距较大，所以整机的稳定性得到了大大的提高．牵引车的减小又使整机的造价降低了很多。臂架系统也进行了多处改进，特别是臂架的头部重量得到了很大程度的减轻。本文所研究的Ｂ型强夯机为大连理工大学工程机械研究所在Ａ型机之后设计开发的机型，能够满足强夯施工中点夯和满夯的工况要求，最大能级在１

之Ａ型改善很多。８×１０４ｋＮｍ。Ｂ型机没有人字架结构，臂架也不是三角形空间桁架，而改为塔架式结构，同时去掉了回转支承，受力较

图ｌ５履带式专用强夯机

Ｆｉｇ１５Ｃｒａｗｌｅｒｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ

１．３课题研究的背景和意义

强夯机工作时反复将夯锤起吊到一定高度后，利用自动脱钩装置释放夯锤或带锤自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和冲击应力［９－１ａ］，产生的强大的冲击波对整个强夯机造成极大的周期性冲击伤害。Ｂ型强夯机的行走装置距离夯点５米左右，而距离夯锤落地后的边缘仅２．５米左右，这样夯锤落地时产生的冲击波就会对行走装置上的零部件产生极大的破坏，而且也使臂架头部产生剧烈的震动，从而影响臂架结构的疲劳寿命。

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基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥ－ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析

如图１６所示，为在珠海工作的Ｂ型强夯机工作４９３７小时后，发现臂架头部开始出现局部的疲劳裂纹（图上序号为出现疲劳裂纹的具体位置）。该强夯机最初的设计寿命为１０年，即至少工作２４０００小时，而实际工作寿命远远小于其理论设计寿命。最初的臂架疲劳寿命设计理论是根据ＧＢ３８１１－１９８３，即臂架工作时的最大应力不超过其疲劳许用应力，显然这种设计思想未考虑夯锤落地后产生的地震波对臂架疲劳寿命的影响。因此，本文提出一种基于ＡＮＳＹＳ／ＦＥ．ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析的方法，综合考虑强夯机工作时频繁的起升夯锤和夯锤落地后产生的地震波对臂架疲劳寿命的影响。该方法通过疲劳寿命云图能够清楚地显示出臂架各部位的疲劳寿命以及判断出容易旋生疲劳破坏的位置，为强夯安全施工和强夯机臂架结构设计制造都提供了重要参考。

图１６强夯机臂架头部裂纹

Ｆｉｇ１６ＣｒａｃｋｉｎｔｈｅｂｏＯｌｌｌｈｅａｄｏｆＤｙｎａｍｉｃＣｏｍｐａｃｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅ

１４国内外研究现状疲劳破坏是工程机械结构失效的主要原因之一，引起疲劳破坏的循环载荷的峰值往

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往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。从整体上看，对疲劳问题的研究尚属探索实验阶段，还没有一种满意的理论能解释其破坏机理，只是从宏观上得出了 些规律。

１．４．１国外研究现状

Ｆ．Ｒ．Ｍａｓｈｉｒｉ和Ｘ．Ｌ．Ｚｈａｏ对厚度为小于４ｍｍ的Ｔ型焊接的薄壁方形钢管结构进行了平面内受弯实验，采用了实验的方法确定了热点区域的应变和热点区域（即最可能发生疲劳破坏的部位）的应力与名义应力之间的比值，将以名义应力表述的Ｓ－Ｎ曲线转换成以热点应力表述的Ｓ－Ｎ曲线。实验发现，Ｔ型焊接的薄壁方管结构的疲劳实验破坏部位为Ｔ型焊接区域部位。

Ｘ．Ｂ．Ｌｉｎ在大型通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ基础上分析了构件的疲劳裂纹扩展情况。该方法采用了有限荷载增量步的方法，即采用一定数量的荷载循环数目作为一次增量步，在每个这样的增量步内认为裂纹的增长是稳定的，采用裂纹扩展公式计算了裂纹处每个节点的增长方向和大小，采用专用后处理以及前处理软件重新确定裂纹边界和单元的划分，继续进行计算，裂纹扩展到一定程度以后得到结构的疲劳寿命和裂纹扩展情况。

Ｐ．Ｃｏｌｏｍｂｉ应用了有限元一损伤力学分析方法模拟了人体腿骨骼修复时的疲劳损伤累积，模拟了采用不同加固修复金属结构时的疲劳损伤累积过程，认为采用基于连续损伤力学的疲劳损伤演化方程所得的结果较工程普遍采用的ＬｉｎｅａｒＭｉｎｅｒ准则更为符合实际情况，并描述了疲劳损伤累积过程中的非线性过程。

Ｒ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ彻底摈弃了裂纹扩展过程中的半椭圆形裂纹假设以及Ｎｅｗｍａｎ和Ｒａｊｕ应力强度因子解，采用通用有限元软件ＡＮＳＹＳ对含有裂纹的平板以及构件进行了疲劳裂纹扩展分析。该方法的主要过程是：对有限元模型施加一定的应力循环次数后，根据１／４位移方法或者积分方法计算裂纹边界上各点的应力强度因子，然后采用Ｐａｒｉｓ裂纹扩展公式计算裂纹边界上各点的疲劳裂纹的增长量，根据裂纹边界上疲劳裂纹的增长量确定新的裂纹边界，重新划分有限元网格和单元，继续重复前面的步骤依次递进计算。从计算方法和步骤上来看，计算过程比较复杂，数据准备量较大，中间每一增量步都要进行大量的后处理计算，并确定裂纹扩展后的单元的划分，不便于实际应用。尽管放弃了半椭圆形裂纹的假设，Ｒ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ的有限元计算结果与实验结果吻合得较好；裂纹在扩展过程中仍然保持半椭圆形状，并与采用Ｎｅｗｍａｎ和Ｒａｊｕ的应力强度因子解进行了比较，符合得很好。１．４．２国内研究现状

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基于ＡＮＳＹＳ肥．ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析

郑旭东、唐雪松、张行等从节省计算时间的角度出发，对已有的损伤力学—有限元法求解疲劳损伤累积问题的解法进行了改进。改进了变刚度矩阵的计算和集成过程，提出了一种附加荷载方法，即在给定损伤场的位移分析问题中，引入了附力Ｉａ夕ｂ力列阵后，转化为无损伤场的位移分析问题，对结构总体刚度矩阵只需组集一次；每隔一定的应力循环次数时，不用组集总体刚度矩阵，结构内的损伤等效为外力施加在结构上，节省了计算时间。但是上述方法在将结构内的损伤场等效为外力时，隐含地使用了各向同性损伤的假设，即假设单元内的各处的疲劳损伤场是相同的，这是不符合实际的假设；每隔一定的循环次数后，计算损伤场等效的单元节点荷载时，将变得比较复杂，需要辨明要在哪些节点，哪些方向，施加多大的荷载。使用该方法难以得到疲劳损伤场在单元内的分布形式以及单元内损伤的演化过程。

王振波、邓爱民等分别采用耦合损伤一有限元分析方法分析了混凝土温度损伤问题和混凝土断裂问题，并给出了相关的程序实现方法，但问题仅限于平面问题以及各向同性弹性损伤问题。

对于疲劳裂纹扩展的分析，目前都渐趋采用断裂力学的方法。它所描述的对象通常为一条主裂纹在交变载荷下的扩展规律，所采用的数学模型主要是由应力强度因子或守恒积分控制的各种类型的裂纹扩展速率公式。这种处理方法的指导思想是：由于在扩展阶段的疲劳破坏行为将高度集中于裂纹尖端附近，而该区域的应力、应变场分布模态与结构形状及远场载荷无关，其幅值仅直接或间接地取决于应力强度因子或守恒积分，从而可以采用上述裂纹扩展速率公式来描述不同结构与不同外载荷作用下的裂纹扩展行为。

１．５课题研究内容及技术路线

１．５．１课题研究内容

（１）应用加速度计、恒流源以及示波表等仪器现场测量夯锤落地后，距离夯锤中心５ｍ处地面地震波的加速度一时间曲线；

（２）通过Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ的配合使用，建立Ｂ型强夯机有限元分析模型；

（３）通过ＡＮＳＹＳ／ＦＥ—ＳＡＦＥ对Ｂ型强夯机进行疲劳寿命分析；

（４）将理论分析结果同现场施工具体情况进行比较，判断该分析方法的正确性，并提出臂架结构的改善意见。

１．５．２课题技术路线（１）通过施工现场实验，测得距离夯锤中心５ｍ处地面地震波的加速度一时间曲线。

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（２）利用Ｍａｔｌａｂ软件对实验数据进行处理，得到该地震波的位移一时间曲线，以便于在用ＡＮＳＹＳ／ＦＥ．ＳＡＦＥ软件进行疲劳分析时加载。

（３）利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立臂架曲面模型，并通过接口程序导入ＡＮＳＹＳ软件中。（４）在ＡＮＳＹＳ软件中，继续建立车架及履带架等模型，得到Ｂ型机完整模型。（５）在ＡＮＳＹＳ软件中对Ｂ型强夯机添加约束与载荷，结合ＦＥ．ＳＡＦＥ软件对臂架进行疲劳寿命分析。

（６）将理论分析的臂架疲劳寿命同施工现场臂架出现问题的时间进行比较，验证该分析方法的正确性，提出臂架结构的改善意见，重新分析改善后的臂架模型，检验改善意见的可行性。

（７）对臂架结构进行振动特性分析，比较其前几阶固有频率和地震波频率，提出添加缓冲装置等改善意见。一９一

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基于ＡＮｓＹＳ册三．ＳＡＦＥ的强夯机臂架疲劳寿命分析

２疲劳强度理论

２．１疲劳的基本概念

疲劳破坏指当材料或结构受到多次重复变化的荷载作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏【”。１５１现象，叫做疲劳破坏。疲劳，顾名思义就是因作用时间过久而不能继续工作的意思。疲劳裂纹一般都是从构件表面发展起来的，如图２．１，裂纹从表面产生之后沿着垂直于主应力的方向发展，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展，当裂纹扩展到使界面上的应力达到材料的强度极限时，便发生了最终的瞬时断裂。

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图２．１疲劳破坏的三个阶段

Ｆｉｇ．２．１Ｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ

疲劳破坏的过程分为三个阶段，即疲劳裂纹的萌生（亦称起始、引发、生核等）；疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂。现代疲劳理论对这三个阶段都做了分析。裂缝起始理论假定裂缝的产生是由于构件表面的拉压应力产生的。裂缝发展理论将裂缝增长同构件内部应力联系在一起。最终破坏是由于裂纹扩展到一定程度，承受载荷的面积过小而造成的。最近的研究则尝试把疲劳破坏描述成带有微小初始缺陷的裂缝发展过程【１６】。

疲劳破坏虽然是结构构件长期累积损伤的结果，但破坏前没有明显的变形，属于脆性破坏，故疲劳破坏具有很大的危险性。疲劳破坏的断口上，总是呈现两个特征区域，一个区域面积较大，表面粗糙，这部分是在疲劳破坏时发生的，另一个区域较小，表面

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光滑，是疲劳破坏发生前，裂纹表面受到反复挤压摩擦造成的。造成疲劳破坏反复变化的荷载叫做疲劳荷载。这些荷载在大小和方向上可随时间不断变化，通常采用应力或应变循环来描述这些荷载。

造成疲劳破坏的内因是材料性和应力集中程度，应力集中程度取决于杆件截面的形状、连接方式和接头形式。外因则是附加力的情况和循环次数，以及环境（温度，腐蚀介质等）。疲劳破坏的形式与静荷载下发生的强度破坏截然不同，主要有以下特征：

（１）在交变荷载作用下，构件中的交变应力在远低于材料拉伸强度极限条件下有可能发生破坏。

（２）不论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无显著塑性变形的脆性断裂¨¨。

（３）疲劳破坏过程局限于局部区域，并不牵涉到整个结构的所有材料。

（４）疲劳破坏是一个累计损伤的过程，要经历一定的时间，有时还很长。

疲劳一般分为热疲劳、腐蚀疲劳和机械疲劳三类。

热疲劳是由于温度的循环变化而引起应变的循环变化，并由此产生的疲劳，产生热疲劳必须有两个条件，即温度循环变化和机械约束。温度变化使材料膨胀或收缩－但由于受到约束，从而产生热应力。

腐蚀疲劳是在循环交变应力和腐蚀环境联合作用下而产生的开裂与破坏。

机械疲劳是指结构在交变机械应力（即交变应力是由机械力引起的）作用下的破坏。机械疲劳根据荷载作用的幅度和频率又分为常幅、变幅和随机疲劳。常幅疲劳是指交变应力的幅度和频率都是固定不变的：变幅疲劳是指应力的幅度变化，而频率不变；随机疲劳则是指应力幅度和频率都在变化。机械疲劳根据破坏前所经历的循环次数，又可分为高周疲劳和低周疲劳。

２．２疲劳累计损伤理论

损伤理论目前已提出有几十个，但可以概括为三种类型，即线性累计损伤理论，修正线性理论和其它理论。它们之间的差别是非线性累积损伤理论考虑应力之间的相互作用，精度较高，但其适用范围有局限性，而线性理论形式简单，且有一定的精度，在工程上得到广泛应用。

线性累积损伤理论认为在各种循环载荷作用下的疲劳损伤可线性累加起来，各应力之间相互独立和互不相干，当累加损伤达到一定数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线性累积损伤理论中典型的是Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅ理论，简称为Ｍｉｎｅｒ理论。但在有些情况下，由于线性理论没有考虑应力之间的相互作用，而使结果相差较大，

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所以有时对于精度要求较高时，要采用非线性理论，其中最典型的是Ｃａｒｔｅｎ－Ｄｏｌａｎ理论。下面分别对线性和非线性两种典型的理论加以介绍。

２．２．１隧ｉｎｅｒ理论

结构承受的应力循环是结构疲劳破坏的外因，在绝大多数情况下，结构所承受的应力循环是变幅应力循环，不是试验中所采用的常幅应力循环，而且变幅应力的组合情况比较复杂，要用到疲劳的累积损伤【１８】理论。工程中广泛使用Ｍｉｌｌｅｒ理论，该理论假定低于疲劳应力极限的应力不导致损伤；大小不同的载荷加载顺序对疲劳累计损伤没有任何影响。在上述理论假设下，该理论认为：

（１）对于等幅荷载下，一次循环造成的损伤为：

Ｄ：三

Ｎ（２．１）

其中，Ｎ为对应于当前的载荷水平Ｓ的疲劳寿命。

（２）等幅荷载下，ｎ个循环造成的损伤为：

Ｄ＝兰

Ｋ（２．２）

当刀＝Ｎ时，发生疲劳破坏。

（３）对于变幅载荷，假定结构或构件承受ｋ个不同应力水平的作用，在应力水平△仃．作用下经历了吩个循环，对应恒幅值应力△仃，的疲劳循环次数为Ｍ，每一次循环造成的损伤为古，则绣个循环造成的疲劳损伤为口＝旁，用口来度量在各应力水平循环作用下造成的损伤，当这些损伤累积起来等于１时，将发生疲劳破坏，即疲劳破坏判据为：

Ｄ－喜口＝喜专卅

其中，ⅣＪ为应力水平Ａｏ－在Ｓ－Ｎ曲线上对应的循环次数。

２．２．２㈦３，Ｃａｒｔｅｎ．Ｄｏｌａｎ理论

Ｃａｒｔｅｎ．Ｄｏｌａｎ从理论上和实验上研究各种变化的交变应力历史对疲劳寿命的影响。他们先从疲劳损伤的物理概念出发，推出二级载荷下疲劳寿命的表达式。然后进行实验，验证所做的假定是否正确。接着将二级载荷下的疲劳寿命公式推广到多级载荷情况，最后再进行连续变化的应力历史实验，以证明这种推广是否合理。再推到疲劳寿命前，作了下列假定：（１）成核期很短：

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（２）裂纹核的数目随应力增加而增加；

（３）在恒值交变应力下，损伤度随应力增加而增加；

（４）每周的损伤度随应力增大而增大；

（５）到破坏的总损伤不依赖于应力历史；

（６）低于疲劳极限的应力或低于成核的应力可使裂纹扩展。

最后得到多级加载下疲劳寿命Ｍ的计算公式为：以２南晓４）其中，Ⅳ１为最高应力Ｓ下的常幅疲劳寿命，倪，为应力‘Ｓ：下的应力周次在总周次中所占的比例，ｄ为由二级载荷试验确定的材料常数。

按照该公式，只要知道最高的应力｜Ｓ：相对的寿命Ｍ和材料的常数ｄ，就能较准确地估计多级程序载荷下的疲劳寿命。Ⅳ１可以从通常的Ｓ－Ｎ曲线得到，ｄ从二级载荷试验中得到，而且证明ｄ值不受应力历史的影响，因此确定实际碰到的随机载荷下的疲劳寿命，就不需要高阶的大量的随机载荷试验，只要进行常幅和二级程序载荷试验就行了，所以这是一个较好的修正损伤理论。

从这两个损伤理论中可看出，Ｍｉｎｅｒ理论将各个应力之间看成是相互独立的，互不相关，损伤可线性累加起来，即损伤达到一定数值时，构件就发生疲劳破坏。而Ｃａｒｔｅｎ理论考虑了应力之间的相互影响，每次计算损伤都要考虑本次荷载循环之前荷载系列中最大荷载的作用，因为要实时求得损伤，也就是说所有过程都要通过编制程序自动实现，如采用Ｃａｒｔｅｎ理论，那意味着每次都要将进行多次循环比较，而且，疲劳分析子程序的臃肿不仅占用更多内存，每次加载历程都相互牵制还会影响整个系统的速度ｆ１９１。相比较，Ｍｉｎｅｒ理论简单易行，因为该理论仅需考虑不同应力水平和其对应的应力循环发生次数，没有考虑应力之间的相互影响，而且对于焊接构造细节而言，它又具有足够精度。２．３应力循环次数的计算

所谓应力循环就是从某一应力水平出发，经过某种大小的应力波动，又回到原来应力水平的变化幅。应力波动的大小，取决于加载强度。焊接结构的构造细节一定时，影响疲劳强度的最主要因素是应力幅及相应的循环次数【２０１。那么如何从所测的应力历程或应变历程中求出应力幅或应变幅及相应的循环次数呢？这就要求对采集到的应变波形进行分析处理。分析随机波形的方法比较多，但从评价结构疲劳的角度出发，用计算应力循环的雨流法较为适宜。雨流法所得到的结果与应力一应变的变化过程是一致的。雨流法是目前国内外应用最广泛的计数方法。该方法认为塑性的存在是疲劳损伤的

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必要条件，并且其塑性性质表现为应力一应变的滞后回线。一般情况下，虽然名义应力处于弹性范围，但从局部的、微观的角度看来，塑性变形仍然存在。

雨流法是将一列应力历程转动９０度【２１１，如图２．２所示。取时间为纵坐标，垂直向下，载荷一时间历程形如一宝塔屋顶。设想雨滴以峰、谷为起点，向下流动。根据雨滴流动的迹线，确定循环载荷，雨流法的名称即由此得来。

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图２．２雨流法原理图

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雨流计数法的功能是计数随机波形的循环和半循环，它为研究疲劳损伤提供重要的数据。雨流计数法的规则是：

（１）凡起始于波谷的雨流，遇到比它更低的谷值便停止；

（２）凡起始于波峰的雨流，遇到比它更高的峰值便停止；

（３）雨滴流动中，凡遇到上面流下的雨滴时，也要停止；

（４）根据雨滴流动的起点和终点。

然后画出各个循环，将所有循环逐一取出来，并记录其峰、谷值。雨流法同时考虑了大应力幅和小应力幅对结构疲劳损伤的影响。缺点是与其他计数法一样，未统计出所有应力幅出现的先后次序对疲劳寿命的影响［捌。

２．４疲劳抗力曲线（ｓ刈曲线）

结构抵抗疲劳破坏性能的好坏是用疲劳强度来衡量的，疲劳强度就是构件在交变荷载作用下的强度。造成疲劳破坏的重复变化荷载就叫做疲劳荷载。疲劳荷载与静力荷载

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是不同的，静力荷载是荷载的一次作用并且是逐渐加上去的，荷载的大小和方向是不变的，而疲劳荷载是多次重复作用，荷载的大小和方向是变化的。由疲劳荷载引起的相应循环应力称为疲劳应力。结构在疲劳应力的作用下，产生疲劳裂纹，直至疲劳失效所承受的循环应力次数Ｎ，叫做结构的疲劳寿命。

表示应力幅或最大应力与疲劳寿命之间关系的曲线称为疲劳曲线或Ｓ－Ｎ曲线。在旋转弯曲疲劳试验中，对每个试件施加不同的荷载Ｐ，测得每个试件达到破坏的疲劳寿命．Ｎ，以最大应力（或应力幅）为纵坐标，以疲劳寿命Ｎ为横坐标，按试验结果能绘出一条在某一平均应力（或应力比）下的ｏ－Ｎ曲线。同理，用拉压疲劳试验，可得到某一平均应力（或应力比）下的拉压ａ－Ｎ曲线。用扭转疲劳试验，可得到扭转ｔ－Ｎ曲线。这些曲线，统称Ｓ－Ｎ曲线，即疲劳强度与寿命的曲线【２引。

Ｓ－Ｎ曲线在直角坐标上是一条双曲类型的曲线，如图２．３左所示，其表达式为：

ＮＳ”＝Ｃ（２．５）

其中，ｍ和ｃ均为材料常数。

将上式两边取对数可得到：

ｌｏｇＮ＝ｌｏｇＣ－ｍｌｏｇＳ（２．６）

由此可得，Ｓ－Ｎ曲线在双对数坐标上为一直线，１／ｍ为其负斜率。通常为了明显表示到达疲劳极限所需要的最少循环次数，将Ｓ－Ｎ曲线画在双对数坐标上（图２．３右）。

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图２．３

Ｆｉｇ．２．３循环次数ｌｏｇＮＳ－Ｎ曲线示意图Ｓ—Ｎｃｕｒｖｅｄｉａｇｒａｍ

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２．５影响疲劳强度的因素

将材料的Ｓ－Ｎ曲线应用于实际的零部件，还必须考虑一些影响疲劳强度的因素，这些因素可分为材料特性，载荷的形式，零件的尺寸，以及环境等四大因素。本节主要讲述应力集中、尺寸、表面加工、磨损及环境介质对疲劳性能的影响。

２．５，１应力集中的影响

零件或构件不可能都是等截面的，而大多数都存在圆角、小孔、外槽或缺口等不连续部分致使界面形状发生了变化。由于零件或构件几何形状的不连续而引起比名义应力大得多的局部应力称为应力集中现象［２４－２７］。

为了正确评定零件或构件的强度，在很多情况下都必须考虑局部的峰值应力。该应力的特点是可能大大超出名义应力和峰值应力区有很高的应力梯度，而且应力越集中，应力梯度就越大。

局部峰值应力与名义应力之比值称为应力集中系数。假设材料是均匀的和各向同性的，在材料的弹性极限范围内，局部峰值应力可以用弹性力学解析法、光弹性法或有限元法求得。这样求得的局部峰值应力与名义应力的比值称为理论应力集中系数。

Ｋ：‰（２．７）

研究疲劳强度，不仅要知道理论应力集中系数Ｋ，而且还要知道局部峰值应力处的应力梯度ｄｏ＂／出。这里ｘ是在沟槽中心线的横截面上由表面起至所考虑的点的距离。

Ｇ：孕：ｔｇＯ（２．８）

ａｘ

其中，ｐ称为应力梯度（ＭＰａ／ｍｍ）。当‰增加或应力集中处的曲率半径或试件尺寸减少时，则应力梯度增大。

但是，理论应力集中系数Ｋ的大小，并不能作为由于存在局部峰值应力而使疲劳强度降低的标准。因为疲劳强度不仅由零部件的几何形状所决定，还与零部件的材料性质以及载荷类型等有关。这是因为在应力集中区的局部峰值应力常超过屈服极限ａ。，使部分材料产生塑性变形，从而造成应力的重新分配，故实际的峰值应力低于按弹性理论计算的峰值应力值。也就是说，疲劳强度的降低要用有效应力集中系数来估计。

在循环交变应力作用下，确定有效应力集中系数时，要考虑每一应力循环过程中，在应力集中区域内，反复塑性应变会使金属产生强化效应，所以有效应力集中系数应与循环次数Ｎ有关。确定疲劳载荷下的有效应力集中系数与静强度的情况相似。当载荷条

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