重載頂推裝備微觀接觸機理及可靠性研究

《重載頂推裝備微觀接觸機理及可靠性研究》是依託同濟大學，由卞永明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：重載頂推裝備微觀接觸機理及可靠性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：卞永明
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

頂推裝備能夠高效、安全地實現大型橋樑頂推施工作業。頂推裝備工作環境複雜，具有非線性接觸、高壓、重載、大慣量、多場耦合等極端服役特徵。建立高效的設計與分析方法是頂推裝備設計、最佳化及性能評估的重要技術支撐。本項目面向大型重載頂推裝備的工作過程，研究多場耦合的極端工況對頂推裝備接觸和整機性能的作用效應，建立頂推裝備接觸界面的物理表征方法，進行接觸界面材料-結構工作行為的一體化多尺度建模與分析；考慮頂推裝備的外部環境、幾何尺寸誤差及作用載荷的不確定性，構建混合可靠性指標約束條件，建立頂推裝備結構的機率-非機率混合可靠性結構最佳化模型和求解策略，實現頂推裝備的可靠性最佳化和試驗驗證。本項目旨在揭示頂推裝備的非線性微觀接觸機理，建立基於微觀接觸的可靠性最佳化方法，為大型重載頂推裝備的開發套用提供設計理論和技術支撐。

結題摘要

隨著橋樑設計技術和施工需求的不斷發展，橋樑工程越來越龐大，其中頂推施工方法的套用極其廣泛，頂推裝備可以滿足大型橋樑工程重載、高壓、大慣量、非線性接觸等強外作業特徵的施工要求。頂推作業主要依靠面-面接觸通過“頂”“推”兩個動作交替工作，使整體鋼箱梁移動至預定位置，完成橋樑架設，接觸面之間載荷巨大，其工作狀態對頂推設備整體工作狀態起重要作用。本項目研究了複雜多場耦合環境下和極端服役狀態下頂推裝備的非線性動力學行為與性能衰退規律。根據聖維南原理，對頂推裝備三維實體模型的局部無影響特徵及相應對稱結構進行適當簡化；根據頂推實際典型工況施加相應載荷及邊界約束條件，對頂推裝備進行了應力場分析，得出頂推裝備與鋼箱梁接觸時的巨觀接觸現象。通過大量的重載接觸試驗，研究極端服役下接觸表面磨損機理及失效行為，分析試驗後接觸表面巨觀/微觀形貌、化學成分和塑性變形情況。研究粗糙接觸表面的表征方法，利用表面粗糙度測量儀和超景深三維顯微鏡測量零部件接觸表面的輪廓曲線、表征參數以及表面形貌的三維圖像；採用分形幾何理論中W-M 函式描述頂推裝備接觸表面形貌的多尺度性質，並與接觸力學相結合，根據表面微凸體在彈性、彈塑性以及完全塑性變形的臨界受力狀態，建立粗糙表面平均接觸載荷與真實接觸面積之間的數學計算模型，研究微觀接觸與巨觀接觸之間的映射關係。根據材料破壞準則和載荷作用時間，構造接觸面的載荷-時間-磨損曲線方程，量化微觀磨損的產生和擴展過程。建立接觸面接觸失效的功能函式，對裝備接觸面進行可靠性和靈敏度分析，找到巨觀和微觀接觸中對裝備可靠性影響的關鍵因素，提出最佳化方案，進行頂推裝備整體性能測試。本項目的研究可以加強頂推裝備的自動化和安全性，提高頂推裝備的使用效率和服役壽命，具有可觀的經濟效益和社會效益。