起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與壽命評估方法分析

蔡福海，王 欣，高順德，趙福令

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

疲勞壽命評估方法近年才開始應(yīng)用在起重機(jī)領(lǐng)域，主要研究對象是橋式、門式起重機(jī)及港口起重機(jī)等具有較高利用等級的起重機(jī).據(jù)統(tǒng)計，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的事故，疲勞是主要原因，占事故總量的50%以上.一旦發(fā)生事故，將會導(dǎo)致巨大的人員及財產(chǎn)損失.由于起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷多樣、檢測困難，疲勞壽命評估存在諸多難點.確定金屬結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和外負(fù)載所施加壓力的關(guān)系，以及在工作循環(huán)過程中計算起重機(jī)的安全可靠度，是解決該難點的關(guān)鍵［1］.

1 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞評估方法概述

焊接結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，由于焊縫削弱了母體材料強(qiáng)度，并且導(dǎo)致一定的應(yīng)力集中，因此焊縫部位一般是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，針對其進(jìn)行分析是壽命評估的重點.

結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與壽命評估方法可分為三類:基于累積損傷理論的力學(xué)方法、斷裂力學(xué)方法、基于信息新技術(shù)的衍生方法.這些方法利用不同的評估參數(shù)，反映疲勞強(qiáng)度隨工作循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系.根據(jù)不同評估參數(shù)與疲勞壽命N的關(guān)系，可劃分為如圖 1 所示方法［2］.

圖1 評估方法分類Fig.1 Classification of strength analysis and life evaluation m ethod

2 力學(xué)方法

2.1 基于累積損傷理論的力學(xué)方法

基于累積損傷理論的力學(xué)方法是壽命評估中應(yīng)用最為廣泛的一種方法.它的基本假設(shè)是:在任何循環(huán)應(yīng)力幅值下工作都將產(chǎn)生疲勞損傷，疲勞損傷的嚴(yán)重程度和在該應(yīng)力幅值下工作的循環(huán)數(shù)有關(guān).在每個應(yīng)力幅值下產(chǎn)生的損傷是永存的，并且在不同應(yīng)力幅值下循環(huán)工作所產(chǎn)生的累積總損傷等于在每一應(yīng)力水平下產(chǎn)生的損傷之和，當(dāng)累積總損傷達(dá)到臨界值就會產(chǎn)生疲勞失效.

應(yīng)用最為廣泛的累積損傷模型是Palmgren-Miner公式，如下所示:

式中:ni是在應(yīng)力σi作用下的循環(huán)次數(shù)，一般由載荷譜給出;Ni是在應(yīng)力σi作用下疲勞失效循環(huán)次數(shù)，由σ-N曲線確定;D是總損傷，一般取0.7～1.2之間.

基于此理論的評估參數(shù)可以是名義應(yīng)力Δσn、結(jié)構(gòu)應(yīng)力 Δσs、缺口應(yīng)力 Δσk、缺口應(yīng)變 Δεk等四個參數(shù).

2.1.1 名義應(yīng)力法

每一個名義應(yīng)力都有一個相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)(即疲勞壽命)對應(yīng)，以σ-N曲線進(jìn)行損傷的計算，如下所示:

式中:C和m是材料常數(shù)，Δσ是應(yīng)力幅，N是循環(huán)次數(shù).

目前，各類基本焊接結(jié)構(gòu)形式的σ-N曲線在IIW［3］，Eurocode［4］和 CIDECT［5］等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)上可以獲取，這些曲線同時修正了平均應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、復(fù)合多軸應(yīng)力等因素的影響.每一條σ-N曲線均對應(yīng)于一組具有相近疲勞性能的典型焊接細(xì)節(jié)，用一個疲勞等級數(shù)字代表，見圖2.這類曲線不區(qū)分母材鋼的靜強(qiáng)度等級，是焊接結(jié)構(gòu)與單一金屬材料σ-N曲線的最大區(qū)別.

但是隨著起重機(jī)結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜程度的提高，名義應(yīng)力法也有其局限性:① 復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力比較難以清晰定義，在較大應(yīng)力集中的區(qū)域，塑性變形過大，評估效果分散性大;② 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)給出的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)類型有限，對于與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中給定典型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)差異較大或標(biāo)準(zhǔn)未包含的接頭連接形式，選取σ-N曲線往往存在主觀性或根本無法按標(biāo)準(zhǔn)選取.

2.1.2 結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力法

結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力法與名義應(yīng)力法的區(qū)別就在于評估參量是結(jié)構(gòu)應(yīng)力或熱點應(yīng)力，主要用于焊趾疲勞強(qiáng)度的評定.目前應(yīng)用最為廣泛的熱點應(yīng)力確定方法是表面外推熱點應(yīng)力法(見圖3)，其線性熱點應(yīng)力外推公式如下所示:

圖2 細(xì)節(jié)類型疲勞強(qiáng)度曲線Fig.2 Fatigue strength curves for tubular joints in lattice girders

圖3 熱點應(yīng)力表面外推法Fig.3 Surface extrapolation of hot spot stressmethod

式中:σhs是焊趾處熱點應(yīng)力;σ1和σ2分別是距離焊趾處距離為x1和x2的表面應(yīng)力，可以通過有限元計算或者應(yīng)力測試獲得.

近些年，熱點應(yīng)力的確定出現(xiàn)了一些新的計算方法，如焊趾厚度法(TTWT)［6］、Dong 方法(又稱Battelle 法)［7］、Yamada 法(又稱1 mm 法)［8］等.這些方法的精度逐步提高，適用范圍從剛開始的海洋平臺逐步推廣到船舶、廠房、起重機(jī)等領(lǐng)域，在管接頭領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛.但是僅局限于對焊趾疲勞進(jìn)行分析，不適用于焊接區(qū)域焊根處裂紋擴(kuò)展情況［3］.

2.1.3 有效缺口應(yīng)力法(局部應(yīng)力法)

有效缺口應(yīng)力法以有效缺口應(yīng)力代替缺口根部的總應(yīng)力，用缺口應(yīng)力Δσk-N曲線進(jìn)行疲勞壽命計算.

對多軸載荷和焊接殘余應(yīng)力的分析表明［9］，相對其他力學(xué)方法而言，采用有效缺口應(yīng)力法對起重機(jī)的復(fù)雜K型、T型、角焊縫等結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，其計算結(jié)果趨于保守.因此，本方法主要用于高周疲勞焊接結(jié)構(gòu)件的裂紋形成壽命計算［10］，比較不同焊縫幾何形狀所帶來的疲勞失效結(jié)果.在起重機(jī)方案設(shè)計階段，對多種結(jié)構(gòu)類型與焊縫形式進(jìn)行對比，通過對焊趾的角度、長度及過切等現(xiàn)象進(jìn)行評定，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式.

2.1.4 缺口應(yīng)變法(局部應(yīng)變法)

缺口應(yīng)變法以有效缺口應(yīng)變作為評估參數(shù)，用缺口應(yīng)變Δεk-N曲線進(jìn)行疲勞壽命計算.本方法考慮了缺口的彈塑性變形，主要用于評估循環(huán)周期小于105的低周疲勞焊接元件裂紋形成壽命.目前應(yīng)用最多的Δεk-N曲線是Manson-Coffin公式曲線.

缺口應(yīng)變法考慮了缺口根部的局部塑性變形，對裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了合理闡述，因此對低周期高應(yīng)力狀態(tài)的局部焊接細(xì)節(jié)裂紋形成壽命具有較高的評估精度，可以應(yīng)用于起重機(jī)危險點的焊縫裂紋形成壽命.但是該方法只考慮局部細(xì)節(jié)的“點應(yīng)力”，無法考慮缺口根部附近應(yīng)力梯度影響，對于裂紋擴(kuò)展階段則需要結(jié)合斷裂力學(xué)進(jìn)行評估.

2.2 斷裂力學(xué)方法

斷裂力學(xué)方法以材料或構(gòu)件存在著初始缺陷(稱為裂紋)為前提，以裂紋為評估對象，以前主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域.短裂紋階段主要采用循環(huán)J積分的能量方法，長裂紋階段主要采用裂紋擴(kuò)展方法.根據(jù)現(xiàn)有檢測條件，起重機(jī)焊接結(jié)構(gòu)初始微裂紋可設(shè)定為0.2～0.5 mm，基本符合實際.目前在起重機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最多的是Paris公式和考慮了平均應(yīng)力影響的Forman公式，如下所示:

式中:C和m為材料常數(shù);a，N，ΔK，R和Kc分別為裂紋長度、循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅、應(yīng)力比和斷裂韌度.

此方法主要應(yīng)用于重要結(jié)構(gòu)件的長裂紋計算，如結(jié)構(gòu)的臨界裂紋尺寸在10 mm以上.但是針對薄壁管結(jié)構(gòu)，由于裂紋形成壽命較長，裂紋剛開始進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，壁厚就基本上被穿透，裂紋擴(kuò)展階段太短，導(dǎo)致預(yù)測精度不高.

3 基于信息新技術(shù)的衍生方法

基于信息新技術(shù)的衍生方法，主要包括基于知識系統(tǒng)和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測方法、仿真虛擬試驗方法等.

基于知識系統(tǒng)和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測方法是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方法建立起重機(jī)狀態(tài)信息知識庫，通過傳感技術(shù)連續(xù)監(jiān)測機(jī)械設(shè)備獲得表征機(jī)械設(shè)備退化信號，將信號與知識庫中的狀態(tài)信息進(jìn)行對比，實現(xiàn)壽命預(yù)測，目前主要應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)部分機(jī)構(gòu)的壽命評估和安全評價.如可以通過監(jiān)測起升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的振動信號對其機(jī)構(gòu)壽命進(jìn)行評估，因為這類機(jī)構(gòu)的監(jiān)測參數(shù)比較容易獲取.但是針對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)的監(jiān)測，如焊縫或母材開裂的狀態(tài)監(jiān)測還存在一定的困難，現(xiàn)有技術(shù)還處于研究階段［11］.因此提高自動獲取參數(shù)的技術(shù)手段［12］及后續(xù)狀態(tài)參數(shù)演變規(guī)律的研究，是下一步的重點研究方向.

仿真虛擬試驗方法是商業(yè)軟件將力學(xué)算法進(jìn)行可視化應(yīng)用，包括 ANSYS-SAFE，MSC.Fatigue以及nCode公司的FE-Fatigue疲勞求解器等軟件，主要應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計階段的校核工作，測試產(chǎn)品是否滿足在確定載荷譜下的疲勞壽命要求，從而快速改進(jìn)產(chǎn)品的方案.

4 應(yīng)用方法比較

表1總結(jié)了各種方法的特點及主要應(yīng)用范圍，為起重機(jī)疲勞壽命評估方法的選擇提供參考.

表1 疲勞評估方法特點分析比較Tab.1 Comparison of fatigue assessment methods

5 結(jié)論

(1)焊縫結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)壽命評估的重點研究區(qū)域.

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)受力明確，可以采用名義應(yīng)力法和虛擬試驗法進(jìn)行評估，參考數(shù)據(jù)多，計算精度較高.當(dāng)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，采用熱點應(yīng)力法可以對焊縫強(qiáng)度和壽命進(jìn)行評估.對重要結(jié)構(gòu)件的長裂紋計算，可采用缺口應(yīng)力法結(jié)合斷裂力學(xué)法，提高計算精度.

(3)當(dāng)既要對起重機(jī)整體進(jìn)行壽命估算，又要對局部細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)評估時，可采用狀態(tài)監(jiān)測法為評價體系框架，然后根據(jù)各個部件的實際受力情況，采用不同的分析方法，達(dá)到最有效的評估效果.

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