起重機箱形主梁疲勞壽命評估
王正勇，彭 偉
（北京起重運輸機械設計研究院，北京 100007）
摘要：針對起重機金屬結構的疲勞問題，結合現(xiàn)代理論和技術手段，總結出了起重機結構疲勞壽命評估技術路線，并對該技術路線作了一些理論研究，包括起重機模型的有限元分析、運用損傷力學推導疲勞裂紋形成壽命、在彈塑性斷裂力學的基礎上給出裂紋擴展模型。利用該模型可以更準確地估算起重機的剩余壽命，對于減少疲勞破壞事故的發(fā)生具有重要的意義。
關鍵詞：箱形梁；疲勞評估；疲勞裂紋；起重機 中圖分類號：TH21：TP391.7
0 引言
起重機箱形梁結構本身存在著材料和設計缺陷，又承受重復的交變載荷，疲勞破壞是其主要失效形式。據調查統(tǒng)計，最常見的也是最嚴重的是以疲勞裂紋為特征的起重機焊接結構的破壞，而梁結構的疲勞破壞直接表現(xiàn)為裂紋的萌生與擴展。因此，研究裂紋的形成壽命和擴展壽命具有重要意義。本文結合損傷力學來預測裂紋形成壽命，用基于彈塑性理論的斷裂力學來估算裂紋的擴展壽命，兩者之和構成了起重機的疲勞全壽命。
1 起重機疲勞壽命評估技術路線
起重機的疲勞壽命評估過程是一個復雜的過程，本文結合有限元分析軟件、局部損傷力學分析、彈塑性斷裂理論等提出的技術路線如圖1所示。
2損傷力學法在起重機箱形梁疲勞裂紋形成壽命估算中的應用
損傷力學是研究物體的微缺陷在載荷等外在因素的作用下生長、合并最終導致破壞的演化規(guī)律。損傷力學的起點是微觀尺度上的裂紋、空洞等缺陷，終點是宏觀裂紋。
結構疲勞失效多發(fā)于疲勞性能薄弱或應力最大的部位。根據實際檢測，起重機箱形梁裂紋主要出現(xiàn)在跨中附近受拉區(qū)焊趾、焊縫交叉處等。本文以疲勞核算點作為疲勞源計算疲勞壽命。
對于如圖3所示的起重機箱形梁截面，有：
將式(5)代人式(1)得：
3基于彈塑性理論的斷裂力學在起重機箱形梁疲勞裂紋擴展壽命估算中的應用
由于起重機箱形梁大多采用中等強度以下鋼，如Q235，這樣在裂紋尖端處應力集中較大而產生塑性變形區(qū)，這時需要對強度因子修正后，再采用廣泛應用的線彈性斷裂力學Paris公式來計算。形狀系數Y為：
應力強度因子幅為：
起重機箱形梁的裂紋擴展速率可由Paris公式表示如下：
為與材料、裂紋類型有關的系數。
起重機屬于無限大受拉板，Y=常數，積分后可獲得由初始裂紋a0擴展到臨界裂紋的應力循環(huán)次數N，即金屬結構的疲勞裂紋擴展壽命ac：
4橋（門）式起重機壽命預測算例
某鐵路局集裝箱貨場即將投入使用的50TU型門式起重機，跨度為26 m，材料為Q235，為中等強度以下的鋼材，下面估算該起重機主梁的疲勞壽命。
4.1 起重機結構強度和剛度有限元分析
根據圖1的技術路線，有限元分析是疲勞壽命預估的前提，必須在滿足強度和剛度的前提下進行疲勞壽命計算才有意義，雖然是進行主梁的壽命計算，但是對整機的建模分析更符合實際情況。根據設計要求選取2種危險工況進行分析。工況1：小車位于門架跨中滿載起吊，考慮動載效應、門架自重、風載荷；工況2：小車位于有效懸臂端滿載起吊，其他加載同工況1。強度和剛度有限元法校核結果如表1所示。
通過表1可知，所建立的有限元模型滿足強度和靜剛度的要求，進一步進行動力響應中的模態(tài)分析，提取2、3、5階頻率，如表2所示。
由表2可知，起重機垂直方向的頻率是3. 581 6Hz，在2 Hz～4 Hz之間，符合起重機設計手冊對動剛度的要求。
4.2 裂紋形成壽命和擴展壽命分界點的確定
疲勞壽命可以認為由2個階段組成：疲勞裂紋形成階段和疲勞裂紋擴展階段。對于初始裂紋的假定還沒有統(tǒng)一規(guī)定，本算例中取a0=2 mm，ac=120 mm，這樣裂紋形成壽命指構件從原始到裂紋2 mm的應力循環(huán)數，裂紋擴展壽命指裂紋從2 mm到120 mm的應力循環(huán)數，兩者之和就構成了起重機箱形梁的疲勞全壽命。
4.3 疲勞源附近應力幅值處理
5結語
(1)預測裂紋的形成壽命十分重要，如果這可以達到很高的置信度，那么破壞的危險就會減小，至于裂紋擴展壽命則可用斷裂力學理論來加以估計。
(2)損傷力學估算疲勞裂紋形成壽命可能是最有效的方法，但目前損傷力學理論還不太成熟，本文所做的嘗試還需進一步的試驗驗證。
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