曾祥志
(吉林省大乘鋼材加工有限公司,吉林 長春100070)
Fatigue(疲勞)一詞最早出現(xiàn)在早拉丁文中(Fatig?re),通常是指人的身體和精神上的勞累。作為工程術(shù)語,疲勞用來反應(yīng)在循環(huán)變載荷作用下材料的損傷和破壞。在上世紀(jì)60年代,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)表的報告《金屬疲勞試驗的一般原理》中對疲勞的定義是:“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞”[1-2]。疲勞的另一個定義是:材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下,由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞[36]。
根據(jù)研究對象、載荷條件、環(huán)境和介質(zhì)情況,疲勞有很多種分類方法。
1)按研究對象可分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞;
2)按失效周次可分為高周疲勞和低周疲勞;
3)按載荷條件分隨機(jī)疲勞、沖擊疲勞、接觸疲勞、微動摩損疲勞和聲疲勞;
4)按溫度環(huán)境分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。
名義應(yīng)力法是最早的抗疲勞設(shè)計計算方法,它以零件或材料的曲線為基礎(chǔ),結(jié)合疲勞累積損傷理論,對照試件或結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力,校核疲勞強(qiáng)度或計算疲勞壽命。
MSC.Fatigue的疲勞分析過程[3-4]可以用圖2的五步曲來表示[38]:
圖1 MSC.Fatigue疲勞分析五步曲Fig.1 Five Steps of MSC Fatigue Analysis
圖2 修正后的Q345鋼的P-S-N曲線Fig.2 Corrected P-S-N curve of Q345 steel
門式起重機(jī)械的主梁在工作中所經(jīng)歷的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限,其變形均為線彈性變形,處于低應(yīng)力高頻疲勞狀態(tài),起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞屬于高周疲勞。因此,在運(yùn)用MSC.Fatigue進(jìn)行主梁的疲勞壽命分析時,運(yùn)用名義應(yīng)力法,即假設(shè)起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)中不存在裂紋缺陷,并結(jié)合Miner法則進(jìn)行全壽命分析。
為了起重機(jī)的安全,取置信度為99.9%時的疲勞極限值205.31MPa,得到修正后的Q345材料P-S-N曲線如圖2所示。
考慮到實際操作過程中,根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù),該起重機(jī)滿載起重量為300t,每天起吊100000t的貨物,每周停止工作半天檢修,每天的循環(huán)次數(shù)為1000/3,以一天24小時為單位,把主梁承受的隨機(jī)載荷編制成符合實際情況的載荷譜圖。
運(yùn)用MSC.Fatigue疲勞分析軟件對造船門式起重機(jī)主梁鋼結(jié)構(gòu)分別在表1中各個工況載荷下進(jìn)行疲勞壽命分析計算,得到各個工況下的疲勞壽命云圖如圖3到圖6所示。
從計算結(jié)果可以得出:
1)該類型造船門式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的最小壽命計算值為1.72×106小時,折合成年數(shù)為15.2年;
2)該類型造船門式起重機(jī)主梁跨中以及端部上蓋板和側(cè)板焊接處的疲勞壽命相對比較短,應(yīng)作為檢修的重點(diǎn)巡檢部位;
3)若對這類型退役的造船門式起重機(jī)進(jìn)行再制造時,要特別注意其易發(fā)生疲勞損傷的危險部位,使用無損檢測技術(shù)探測其內(nèi)部肉眼不可見的潛在的疲勞裂。
表1 工況介紹Tab.1 Working conditions
圖3 工況一壽命云圖Fig.3 Life contours of Conditions one
圖4 工況二壽命云圖Fig.4 Life contours of Conditions two
圖5 工況三壽命云圖Fig.5 Life contours of Conditions three
圖6 工況四壽命云圖Fig.6 Life contours of Conditions four
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