梅 杏,胡吉全,張焱清

(1武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063;2宜昌力道起重機(jī)械有限公司,湖北 宜昌 443200)

目前,國內(nèi)對(duì)于大型港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命的測(cè)試主要采用的方法有兩種.一種是以疲勞強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)的名義應(yīng)力法.它是以名義應(yīng)力為基本設(shè)計(jì)參數(shù)、以材料的S-N曲線為主要設(shè)計(jì)依據(jù)的疲勞設(shè)計(jì)方法.另一種是將斷裂力學(xué)應(yīng)用于疲勞分析的損傷容限法.用損傷容限法估算金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,不僅可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命[1],而且對(duì)于具有初始缺陷的結(jié)構(gòu)也可計(jì)算宏觀裂紋出現(xiàn)前的疲勞壽命.本文以輪胎式起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對(duì)象,先采用靜力分析計(jì)算找出危險(xiǎn)部位,然后采用損傷容限法對(duì)其進(jìn)行疲勞分析.

1 損傷容限法測(cè)試疲勞壽命的原理

損傷容限法是以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),基于金屬材料本身存在的焊接缺陷這一事實(shí),結(jié)合現(xiàn)代的無損探傷檢測(cè)技術(shù),定量記入初始缺陷對(duì)疲勞壽命的影響.以裂紋的尺寸大小和裂紋的擴(kuò)展速度作為結(jié)構(gòu)損傷大小的判據(jù)來判定金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命[2].

1.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子K和斷裂韌度Kc

應(yīng)力強(qiáng)度因子K的大小表征了裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度,可以作為判斷裂紋是否發(fā)生失穩(wěn)發(fā)展的指標(biāo).根據(jù)三種基本的裂紋擴(kuò)展形式可分為KⅠ(張開型)、KⅡ(滑開型)、KⅢ(混合型)分別代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型的裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度.裂紋形式使用最多的是I型,其表達(dá)式為式中:γ為取決于裂紋的形狀、位置與加載方式的量綱系數(shù);σ為拉伸應(yīng)力;a為裂紋尺寸.

斷裂韌度KⅠc為應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值,即 Ⅰ型裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生脆斷時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子.在平面應(yīng)變條件下的斷裂判據(jù)為KⅠ≥KⅠc.

1.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN,是在疲勞載荷作用下裂紋長度a隨著循環(huán)周次N的變化率,它表示裂紋擴(kuò)展的快慢.裂紋擴(kuò)展速率可由Paris公式來表示:

式中:Δ K為應(yīng)力強(qiáng)度因子的幅度;C,n為與材料有關(guān)的常數(shù).

將式(1)代入式(2),計(jì)算裂紋長度從a0到ac的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

式中:a0為初始裂紋長度;ac為確定臨界裂紋長度;Δ σ為應(yīng)力幅值.

2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力分析

某臺(tái)額定重量為30 t輪胎式起重機(jī),最常用的工況是打支腿,使用18 m臂,變幅臂架仰角45°～65°之間,在回轉(zhuǎn)平面90°以內(nèi)回轉(zhuǎn),起吊重量為 6 t的貨物,轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)材料為Q235.

該型起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)由兩根縱向?qū)ΨQ布置的H型鋼梁以及若干橫梁構(gòu)成.兩根H型鋼梁是轉(zhuǎn)臺(tái)的主要承力構(gòu)件.起重臂、人字架等主要受力構(gòu)件直接支承在H型鋼梁上,其他零部件通過橫梁將力傳到H型鋼梁上,轉(zhuǎn)臺(tái)底部通過回轉(zhuǎn)支承安裝在底架上.

為分析方便可以將轉(zhuǎn)臺(tái)梁外側(cè)部分省略,其上部分處理成質(zhì)點(diǎn)力在對(duì)應(yīng)的H型鋼位置加載.作用于轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的載荷主要有結(jié)構(gòu)自重、各裝置重量、起重臂和人字架的作用力.利用ANSYS的shell63單元建立模型(圖1).

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)模型圖

假設(shè)一個(gè)工作循環(huán)中起升前臂架處于仰角45°幅度,從空載到起吊6 t貨物,然后變幅到臂架仰角65°幅度,最后到卸載.分別選取4個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的工況進(jìn)行計(jì)算,得到各工況下的最大應(yīng)力值(表1).

表1 各工況下臂架所受的最大應(yīng)力值

另附上臂架仰角45°時(shí),起吊6 t貨物的轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力部位圖見圖2.

圖2 出現(xiàn)最大應(yīng)力的應(yīng)力云圖

通過靜力分析計(jì)算,最大應(yīng)力點(diǎn)均在H型鋼梁與底部環(huán)形法蘭板后側(cè)相接部分.

3 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

3.1 計(jì)算應(yīng)力幅值

由靜力計(jì)算可得應(yīng)力幅值

3.2 初始裂紋尺寸

通常情況下采用超聲波無損探傷方法檢測(cè)測(cè)點(diǎn)裂紋缺陷.當(dāng)檢測(cè)不到裂紋時(shí),一般可取初始裂紋尺寸a0=2 mm.

3.3 裂紋結(jié)構(gòu)參數(shù)及形狀修正系數(shù)

裂紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)C、n與材料、裂紋類型和構(gòu)件形狀等有關(guān),隨應(yīng)力條件和周圍環(huán)境而變化.其值由試驗(yàn)確定,對(duì)于起重機(jī)結(jié)構(gòu)使用的材料,一般取C=2.61×10-13,n=3[3].

裂紋形狀修正系數(shù)γ實(shí)際上包含了裂紋尖端形狀、自由表面狀態(tài)、有限寬度板、應(yīng)力集中等因素的綜合效應(yīng).通常對(duì)于有限寬板單邊直裂紋,當(dāng)板寬的二倍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂紋深度時(shí),γ=1.12.

3.4 臨界裂紋尺寸

Q235鋼的斷裂韌性

由表1可知σmax=82 MPa從而得

3.5 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的壽命計(jì)算

將以上各參數(shù)代入公式(3),得該轉(zhuǎn)臺(tái)在該工作循環(huán)下的理論工作壽命[4-5]Np=4.36×106(次)

假設(shè)在工作中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)初始裂紋a0=50 mm,可以利用Paris推導(dǎo)公式預(yù)測(cè)剩余壽命為起重機(jī)工作循環(huán)次數(shù)Np=3.85×105;同樣令ac=50 mm可以推測(cè)出已經(jīng)工作循環(huán)次數(shù)為Np=3.98×106.

4 結(jié)論

通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析找出危險(xiǎn)部位,利用損傷容限法估算轉(zhuǎn)臺(tái)的使用壽命和剩余壽命,簡便實(shí)用.但由于起重機(jī)使用工況的復(fù)雜性,單一的常用工況只能大致預(yù)測(cè)起重機(jī)的使用壽命,需要收集更詳細(xì)的載荷譜情況,以更有利于對(duì)起重機(jī)的壽命分析,指導(dǎo)實(shí)際的使用維護(hù).

[1]劉晉川,張玉波,丁 敏.港口機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械水運(yùn)科學(xué)研究,2008(3):1-4.

[2]Kanninen M F,Popelar,C H.高等斷裂力學(xué)[M].洪其麟,鄭光華,鄭祺選,等譯.北京:北京航空學(xué)院出版社,1987.

[3]梅 瀟,董達(dá)善.大型港口機(jī)械結(jié)構(gòu)常用材料Q235的斷裂韌性測(cè)度與研究[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(4):56-62.

[4]張金芝.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命估算方法[J].國外金屬熱處理,2005,26(1):48-49.

[5]劉 力,李明萬.起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2010(4):26-27,44.