基于FE-SAFE的造船門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測方法研究

夏常福

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210019）

大型造船門式起重機(jī)一般工作級別較高，交變載荷作用下易發(fā)生疲勞損傷，損傷累積將可能導(dǎo)致主要受力結(jié)構(gòu)件失效，進(jìn)而引發(fā)安全事故。目前，住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T189-2009《建筑起重機(jī)械安全評估規(guī)程》中對塔式起重機(jī)，施工升降機(jī)和井架式升降機(jī)的報廢標(biāo)準(zhǔn)和使用年限作過規(guī)定，而其他類型起重機(jī)械的報廢尚未有國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定。而由于起重機(jī)的實際使用載荷狀態(tài)各不相同，壽命存在較大的分散度，單純從年限上確定起重機(jī)的報廢標(biāo)準(zhǔn)亦不合理。因此，對大型造船門式起重機(jī)的工作壽命進(jìn)行適時監(jiān)測與動態(tài)管理、準(zhǔn)確并及時對其剩余壽命作出預(yù)測對于保證其安全運(yùn)行、提高經(jīng)濟(jì)效益有重大意義。

本文以一臺300t造船門式起重機(jī)為研究對象，首先以疲勞損傷理論估算起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，再由FE-SAFE疲勞分析軟件分析疲勞壽命，以實例驗證了FE-SAFE仿真方法的可行性。

1 疲勞損傷理論分析估算方法

起重機(jī)總的壽命周期是指從起重機(jī)投入使用到報廢為止的整個時間。因其大多工作在循環(huán)往復(fù)交變載荷下，鋼結(jié)構(gòu)的失效形式以疲勞失效為主，首先產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致突然斷裂破壞。目前對于金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要方式是考察其在一定的載荷下能夠達(dá)到的循環(huán)次數(shù)，通過循環(huán)次數(shù)大小對金屬結(jié)構(gòu)的壽命特性實現(xiàn)定量評價。可實測起重機(jī)一段作業(yè)時間內(nèi)的應(yīng)力（應(yīng)變）歷程數(shù)據(jù)，編制載荷譜，再由斷裂力學(xué)理論估算壽命。壽命估算時，通常將載荷譜對構(gòu)件作一次全譜循環(huán)作為一個循環(huán)周期，進(jìn)而考察構(gòu)件發(fā)生破壞時該載荷譜一共作用了多少個周期循環(huán)。假設(shè)循環(huán)次數(shù)為N次，可定量描述起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命。

2 典型工況下的造船門式起重機(jī)疲勞壽命估算

本文選取的研究對象300t造船門式起重機(jī)，是一種造船廠內(nèi)常用的用于實現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)、吊運(yùn)等要求的起重機(jī)。其金屬結(jié)構(gòu)主要有主梁、剛性支腿和柔性支腿組成，在柔性支腿與主梁之間采用球型鉸連接。上小車和下小車雙小車作業(yè)，上小車的軌道在主梁外側(cè)，下小車的軌道在主梁的內(nèi)側(cè)，下小車可從上小車下通過。該起重機(jī)材料為Q345鋼，抗拉強(qiáng)度，根據(jù)作業(yè)工況多為承受交變載荷。

估算剩余壽命時選取兩小車在跨中起吊300噸工況時的不利作業(yè)工況。此時主梁下翼緣板跨中位置是受拉彎矩危險截面，此處通過光纖光柵傳感器測試兩小車起吊300t額定載重量時的應(yīng)變，將實測應(yīng)變時間歷程數(shù)據(jù)乘以彈性模量，即可得結(jié)構(gòu)相應(yīng)的應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)（圖1）。由此測試結(jié)果利用雨流計數(shù)法編制的載荷譜（圖2），當(dāng)量載荷譜見表1。

由Miner理論計算所得載荷譜作用一次造成的總損傷為：

式中，為臨界損傷總值，為第i級應(yīng)力水平的循環(huán)數(shù)，為第級應(yīng)力水平疲勞壽命，i為應(yīng)力級數(shù)。

則在該工況下可運(yùn)行的總循環(huán)壽命次數(shù)為：

3 基于FE-SAFE的結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算

圖1 應(yīng)力時間歷程

圖2 三維載荷譜

表1 兩小車起吊300噸工況當(dāng)量載荷譜

FE-SAFE軟件可使用基于有限元分析和實測的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞分析。疲勞估算之前需定義其材料的屬性，確定結(jié)構(gòu)材料的S-N曲線。首先需定義Q345鋼的疲勞特性曲線。將Q345鋼的材料參數(shù)強(qiáng)度極限輸入后，可得Q345鋼的S-N曲線，再對其進(jìn)行修正即可獲得最終計算用S-N曲線。

本文在計算過程中，設(shè)定結(jié)構(gòu)的表面粗糙度為FineMachined-4

此臺造船龍門起重機(jī)主要用于實現(xiàn)船體拼裝和翻轉(zhuǎn)，它的典型工況即上下小車共同抬吊分段制造好的總重約300噸的船體。此處只對該典型工況下的疲勞壽命進(jìn)行分析研究。該起重機(jī)的一個工作循環(huán)是：吊鉤下降—載重起升—小車或大車移動—載重下降—吊鉤起升—大車或小車移動—吊鉤下降。為了方便分析，提高軟件計算效率，不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨小車位置發(fā)生的變化，將實際載荷譜簡化為單位載荷形式。

仿真所得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命云圖與安全系數(shù)云圖如圖3所示。

圖3 仿真疲勞分析計算云圖

由疲勞壽命云圖可以看出，在上下小車位于跨中起吊300噸載荷作用下，起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命最薄弱部位發(fā)生在主梁與柔性支腿連接處，即橡膠支座壽命最低，應(yīng)對該部位進(jìn)行重點檢測。此外，整個起重機(jī)結(jié)構(gòu)壽命相對薄弱區(qū)域主要出現(xiàn)在主梁跨中位置、柔性支腿與主梁連接處以及柔性支腿劈叉處。可以看出主梁下蓋板安全系數(shù)要比上蓋板小，這是由于下蓋板受拉變形程度較大所致。

不同方法估算所得起重機(jī)最低疲勞壽命對比見表2，仿真與理論算法結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，驗證了仿真方法的可行性與科學(xué)性，可作為工程應(yīng)用的計算參考。

表2 疲勞損傷理論與FE-SAFE估算結(jié)果對比

4 結(jié)語

FE-SAFE軟件可應(yīng)用于橋架型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估算，參數(shù)設(shè)置較為方便，計算獲得的疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖，可直觀顯示起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布定位，為進(jìn)一步校核強(qiáng)度薄弱部位提供引導(dǎo)。仿真結(jié)果與經(jīng)典疲勞損傷理論估算對比表明，仿真方法具有一定的可靠性，可作為安全評價參考依據(jù)。