起重机箱形主梁疲劳寿命评估

 王正勇，彭  伟

 （北京起重运输机械设计研究院，北京  100007）

摘要：针对起重机金属结构的疲劳问题，结合现代理论和技术手段，总结出了起重机结构疲劳寿命评估技术路线，并对该技术路线作了一些理论研究，包括起重机模型的有限元分析、运用损伤力学推导疲劳裂纹形成寿命、在弹塑性断裂力学的基础上给出裂纹扩展模型。利用该模型可以更准确地估算起重机的剩余寿命，对于减少疲劳破坏事故的发生具有重要的意义。

关键词：箱形梁；疲劳评估；疲劳裂纹；起重机 中图分类号：TH21：TP391.7  

0  引言

 起重机箱形梁结构本身存在着材料和设计缺陷，又承受重复的交变载荷，疲劳破坏是其主要失效形式。据调查统计，最常见的也是最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接结构的破坏，而梁结构的疲劳破坏直接表现为裂纹的萌生与扩展。因此，研究裂纹的形成寿命和扩展寿命具有重要意义。本文结合损伤力学来预测裂纹形成寿命，用基于弹塑性理论的断裂力学来估算裂纹的扩展寿命，两者之和构成了起重机的疲劳全寿命。

1  起重机疲劳寿命评估技术路线

 起重机的疲劳寿命评估过程是一个复杂的过程，本文结合有限元分析软件、局部损伤力学分析、弹塑性断裂理论等提出的技术路线如图1所示。

2损伤力学法在起重机箱形梁疲劳裂纹形成寿命估算中的应用

 损伤力学是研究物体的微缺陷在载荷等外在因素的作用下生长、合并最终导致破坏的演化规律。损伤力学的起点是微观尺度上的裂纹、空洞等缺陷，终点是宏观裂纹。

 结构疲劳失效多发于疲劳性能薄弱或应力最大的部位。根据实际检测，起重机箱形梁裂纹主要出现在跨中附近受拉区焊趾、焊缝交叉处等。本文以疲劳核算点作为疲劳源计算疲劳寿命。

对于如图3所示的起重机箱形梁截面，有：

将式(5)代人式(1)得：

3基于弹塑性理论的断裂力学在起重机箱形梁疲劳裂纹扩展寿命估算中的应用

 由于起重机箱形梁大多采用中等强度以下钢，如Q235，这样在裂纹尖端处应力集中较大而产生塑性变形区，这时需要对强度因子修正后，再采用广泛应用的线弹性断裂力学Paris公式来计算。形状系数Y为：

应力强度因子幅为：

 起重机箱形梁的裂纹扩展速率可由Paris公式表示如下：

为与材料、裂纹类型有关的系数。

 起重机属于无限大受拉板，Y=常数，积分后可获得由初始裂纹a0扩展到临界裂纹的应力循环次数N，即金属结构的疲劳裂纹扩展寿命ac：

4桥（门）式起重机寿命预测算例

 某铁路局集装箱货场即将投入使用的50TU型门式起重机，跨度为26 m，材料为Q235，为中等强度以下的钢材，下面估算该起重机主梁的疲劳寿命。

4.1  起重机结构强度和刚度有限元分析

 根据图1的技术路线，有限元分析是疲劳寿命预估的前提，必须在满足强度和刚度的前提下进行疲劳寿命计算才有意义，虽然是进行主梁的寿命计算，但是对整机的建模分析更符合实际情况。根据设计要求选取2种危险工况进行分析。工况1：小车位于门架跨中满载起吊，考虑动载效应、门架自重、风载荷；工况2：小车位于有效悬臂端满载起吊，其他加载同工况1。强度和刚度有限元法校核结果如表1所示。

 通过表1可知，所建立的有限元模型满足强度和静刚度的要求，进一步进行动力响应中的模态分析，提取2、3、5阶频率，如表2所示。

 由表2可知，起重机垂直方向的频率是3. 581 6Hz，在2 Hz～4 Hz之间，符合起重机设计手册对动刚度的要求。

4.2  裂纹形成寿命和扩展寿命分界点的确定

 疲劳寿命可以认为由2个阶段组成：疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。对于初始裂纹的假定还没有统一规定，本算例中取a0=2 mm，ac=120 mm，这样裂纹形成寿命指构件从原始到裂纹2 mm的应力循环数，裂纹扩展寿命指裂纹从2 mm到120 mm的应力循环数，两者之和就构成了起重机箱形梁的疲劳全寿命。

4.3  疲劳源附近应力幅值处理

5结语

 (1)预测裂纹的形成寿命十分重要，如果这可以达到很高的置信度，那么破坏的危险就会减小，至于裂纹扩展寿命则可用断裂力学理论来加以估计。

 (2)损伤力学估算疲劳裂纹形成寿命可能是最有效的方法，但目前损伤力学理论还不太成熟，本文所做的尝试还需进一步的试验验证。