起重機金屬結(jié)構(gòu)裂紋復(fù)合修復(fù)方法探討

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院婁底分院，湖南 婁底 417000）

1 對于理論方面的探究

基于斷裂力學(xué)理論可以知道，裂紋尖端存在塑性區(qū)，塑性區(qū)對于斷裂的模式和裂紋拓展水平有著一定程度的影響，假設(shè)將塑性區(qū)去掉，在裂紋尖段位置鉆取一項孔徑高于塑料區(qū)的小孔，能夠有效地避免裂紋擴展現(xiàn)象的發(fā)生，受變形現(xiàn)象而產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，會導(dǎo)致塑料區(qū)有所擴大，一旦止裂孔孔徑比較小，是無法徹底消除塑性區(qū)產(chǎn)生的相關(guān)影響，孔邊依舊具備明顯的應(yīng)力集中，而止裂孔的孔徑太過大的話，可能會因為板件截面削弱而增加構(gòu)件凈截面的平均應(yīng)力，影響了構(gòu)件強度的提高。

CFRP修復(fù)加固金屬結(jié)構(gòu)的運行原理表現(xiàn)為：經(jīng)由環(huán)氧樹脂把CFRP材料粘貼于金屬結(jié)構(gòu)表面，使其成為CFRP-膠層-金屬結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應(yīng)的受力情況將CFRP粘貼于軸向拉伸金屬構(gòu)件中。在金屬結(jié)構(gòu)受載的時候會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，變形經(jīng)過膠層傳遞于CFPR中，CFRP有著良好的彈性模量，能夠承擔(dān)較多的荷載，以此產(chǎn)生極佳的修復(fù)加固效果。

針對CFRP止裂孔負(fù)荷修復(fù)的試件，可以根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K1對應(yīng)力集中情況進行評價，公式如下所示：

2 仿真分析情況

起重機疲勞裂紋一般是表現(xiàn)在受力較大的位置中。從實際情況來看，疲勞裂紋包含了三種類型，分別是張開型、滑開型以及撕開型。在這其中，張開型是危險性最高的一種裂紋類型?；诎踩矫娴贸?，對于起重機金屬結(jié)構(gòu)的裂紋來講，一般是按照張開型裂紋進行處理。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用包含中心穿透裂紋的緊湊拉伸試驗?zāi)Ｐ?，裂紋的長度大約是10mm，遵循鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇止裂孔的孔徑D＝3mm。并且，要想將CFRP的修復(fù)加固效果體現(xiàn)出來，可以應(yīng)用規(guī)格是100mm×40mm的CFRP板。

2．1 比較修復(fù)方式

根據(jù)模型具備的對稱性特征，可以分別構(gòu)建多項有限元模型，在構(gòu)建相關(guān)模型的過程中，要想對止裂孔邊緣的應(yīng)力進行十分準(zhǔn)確的模擬，應(yīng)當(dāng)使用Solid45立面體單元來細(xì)化鋼板孔周邊的局部網(wǎng)格，單元尺寸為0.2mm。CFRP修復(fù)部位一般是應(yīng)用映射劃分網(wǎng)格，根據(jù)節(jié)點耦合命令，使得CFRP、膠層以及金屬的網(wǎng)格劃分保持相同性，這從一定程度上達到了金屬-膠CFRP相互傳力的目的。對于沒有修復(fù)的部位來講，則是應(yīng)用自由劃分網(wǎng)格的形式，加大對網(wǎng)格數(shù)量的控制力度，以此確保計算的準(zhǔn)確性。

通過相關(guān)探究得出，CFRP修復(fù)使得裂紋尖端的應(yīng)力強度因子下降，以100MPa拉應(yīng)力舉例說明，通過CFRP修復(fù)之后設(shè)裂紋鋼板應(yīng)力強度慢慢的降低。再者，分析止裂孔單一修復(fù)、CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)情況，在鋼板承受著20MPa的均勻拉伸載荷的情況下，止裂孔的最大應(yīng)力位于孔的上邊緣，是104.865MPa，計算出來的理論應(yīng)力集中系數(shù)則是4.85。CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)的應(yīng)力云圖如1圖所示。

圖1 CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)的應(yīng)力云圖

其中，應(yīng)力分布規(guī)律和止裂孔單一修復(fù)的應(yīng)力分布規(guī)律差不多，最大應(yīng)力表現(xiàn)為70.1257MPa。計算出來的應(yīng)力集中系數(shù)是3.839，和止裂孔單一修復(fù)的應(yīng)力集中相比較來看降低了20.84%。從中可以看出，應(yīng)用CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)裂紋鋼板產(chǎn)生的作用是非常高的，除了能夠使止裂孔中心截面處的應(yīng)力下降之外，與此同時，還可以降低應(yīng)力集中系數(shù)，避免了止裂孔邊緣的應(yīng)力集中。從止裂孔單一修復(fù)和CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)的應(yīng)力變化情況來看，試件的最小應(yīng)力逐漸下降，在施加大荷載的過程中應(yīng)力明顯減少，承載性能有所提升。

2．2 止裂孔打偏現(xiàn)象對于復(fù)合修復(fù)方式產(chǎn)生的相關(guān)影響

在具體操作環(huán)節(jié)中，因為沒有辦法對裂紋尖端的位置進行精準(zhǔn)的辨認(rèn)，或者是止裂孔出現(xiàn)了打偏現(xiàn)象，和裂紋尖端相互叉開，進而實現(xiàn)了止裂修復(fù)效果的體現(xiàn)。本文通過分析裂紋尖端距止裂孔圓心情況來解決此種現(xiàn)象。本文以σ=120MPa進行舉例說明，分別使L=1.5，3,4.5mm。圖2是L=4.5mm時止裂孔修復(fù)CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)圖。

圖2 CFRP止裂孔復(fù)合修復(fù)圖

從圖2可以看出，模型位于兩個應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)，其中表現(xiàn)為裂紋尖端和圓孔周邊。裂紋和止裂孔的出現(xiàn)對于模型的整體應(yīng)力分布情況產(chǎn)生了直接性的影響，其中裂紋尖段中包含的最大應(yīng)力，獲取的應(yīng)力強度因子是545.85，和止裂孔位于裂紋尖段位置的應(yīng)力強度相比較而言要大許多，不過此種現(xiàn)象無法對應(yīng)力集中加以改善。而應(yīng)用了CFRP止裂孔負(fù)荷修復(fù)試件后，應(yīng)力整體呈現(xiàn)出了下降的現(xiàn)象，應(yīng)力強度因子是295.43，和只是用CFRP產(chǎn)生的修復(fù)效果相同。

3 后期試驗

本次試驗是以CFRP止裂孔負(fù)荷修復(fù)典型焊縫裂紋產(chǎn)生的效果，通過對止裂孔修復(fù)、負(fù)荷修復(fù)之下的應(yīng)變在和曲線進行探究，然后獲取金屬結(jié)構(gòu)的承載性能。

3．1 制定相應(yīng)的試驗方案

在試驗期間，一共設(shè)計了兩種類型的鋼板試件，對兩項不同位置止裂孔的中心裂紋進行了相應(yīng)的預(yù)制，試件尺寸和仿真模型相同。具體如表1所示。

表1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

應(yīng)用電子萬能試驗機設(shè)備實行拉伸試驗工作，加載速率表現(xiàn)為0.2kN/s，逐一對止裂孔修復(fù)、負(fù)荷修復(fù)焊縫裂紋試驗實行拉伸試驗工作。對試件進行持續(xù)性的加載，一直到材料出現(xiàn)塑性變形情況之后，應(yīng)當(dāng)馬上停止加載。

3．2 試驗結(jié)果的獲取

對于試件的應(yīng)變載荷曲線如圖3所示。

圖3 試驗應(yīng)變-載荷曲線

從圖3中可以看出，受外載作用力的影響，應(yīng)變伴隨著載荷的增加而隨之增加，在小載荷情況下，各項試件之間的應(yīng)變無明顯的差別，基于載荷和計算理論屈服載荷相互接近的過程中，使用不同的修復(fù)方式使得試件的應(yīng)變值差距非常的明顯。產(chǎn)生的修復(fù)加固效果表現(xiàn)為：SR-1→NR-1→SR-2→NR-2。針對止裂孔修復(fù)方式的應(yīng)用情況來看，NR-2的應(yīng)變和NR-1的應(yīng)變情況相比較來看要大于很多，特別是在載荷是21.6KN的情況下，試件NP-2呈現(xiàn)出屈服的現(xiàn)象，產(chǎn)生變形。而應(yīng)用CFRP止裂孔實行復(fù)合修復(fù)工作的時候，試件SR-1和SR-2中的應(yīng)變值均有了明顯的改善。