李麗麗

摘要：起重機(jī)械在長(zhǎng)久運(yùn)行的過(guò)程中，機(jī)械疲勞斷裂是不容忽視的一種破壞形式，疲勞斷裂常常會(huì)導(dǎo)致零部件和工程構(gòu)件的功能失效從而引發(fā)嚴(yán)重的事故。因?yàn)槠跀嗔言诮Y(jié)零部件和工程構(gòu)件功能失效前不易被察覺(jué)發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)，使得起重機(jī)械在長(zhǎng)久運(yùn)行中存在很大的安全隱患。本文根據(jù)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)合起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)律，運(yùn)用疲勞學(xué)理論，對(duì)起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性的分析提出一些新的看法。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械；疲勞斷裂；可靠性；新進(jìn)展

引言

起重機(jī)械的工作環(huán)境多變且復(fù)雜，在其使用期限內(nèi)要承受數(shù)百萬(wàn)次以上的交變應(yīng)力的循環(huán)作用。因此，疲勞斷裂往往會(huì)成為一種常見(jiàn)的破壞形式。用理論的理想工作環(huán)境進(jìn)行疲勞分析，能確定零部件和工程構(gòu)件的使用壽命，而起重機(jī)械的復(fù)雜工作環(huán)境導(dǎo)致的不確定因素增加，使得理論上的疲勞壽命的準(zhǔn)確性大打折扣。因此，需要結(jié)合疲勞學(xué)可靠性理論，綜合統(tǒng)計(jì)和概率進(jìn)行起重機(jī)械斷裂疲勞可靠性分析具有重要的意義。

1.疲勞斷裂理論

材料或結(jié)構(gòu)失效的主要原因與形式包括變形、斷裂、腐蝕，磨損、變性，其中斷裂最為常見(jiàn)，危害性也最大，在很多情況下可能造成災(zāi)難性事故。在斷裂事故中又以疲勞斷裂為多為害，且多屬性低應(yīng)力脆性斷裂，易失察失防。

工程中有許多金屬零部件和工程構(gòu)件，例如傳動(dòng)軸、滾動(dòng)軸承、齒輪、彈簧、葉片等都是在變動(dòng)載荷下工作的。按照不同的變動(dòng)載荷作用方式，金屬零件承受的應(yīng)力可分為循環(huán)應(yīng)力和交變應(yīng)力兩種。金屬零部件在交變應(yīng)力作用下，雖然所承受的應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度甚至小于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)蝗话l(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的疲勞斷裂。引起疲勞斷裂的原因，一般認(rèn)為是由于零部件的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)制造不合理，即在零件中的最薄弱的部位存在轉(zhuǎn)角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過(guò)大的應(yīng)力集中，或者材料本身強(qiáng)度較低的部位，例如原有裂紋、軟點(diǎn)、脫碳、夾雜、刀痕等缺陷處，在交變或循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)下產(chǎn)生了疲勞斷裂，并隨著應(yīng)力的循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最后當(dāng)減小到不能承受外加載荷的作用時(shí)，零件即發(fā)生突然斷裂。

2.起重機(jī)械整車(chē)結(jié)構(gòu)疲勞的數(shù)據(jù)樣本采集與載荷譜編制

疲勞載荷包括周期載荷和非周期載荷，在多數(shù)情況下，作用在起重機(jī)械零部件和工程構(gòu)件上的載荷是隨變的，基于隨機(jī)載荷的不確定性，需要用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行處理，處理后的載荷-時(shí)間-歷程被稱(chēng)為載荷譜。載荷譜能反映零部件的載荷變化情況，反映真實(shí)的工作狀態(tài)。應(yīng)用疲勞載荷譜，可以提高零部件和工程構(gòu)件的抗疲勞強(qiáng)度，在零部件壽命預(yù)測(cè)上也大有幫助。通過(guò)在各種工況下的實(shí)際測(cè)驗(yàn)，收集起重機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)樣本，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以獲得起重機(jī)械的疲勞載荷譜。在編制疲勞載荷譜的過(guò)程中，要合理恰當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)械零部件承受的隨機(jī)疲勞載荷，遵循遵守?fù)p傷等效原則。

運(yùn)用人工智能進(jìn)行疲勞載荷譜編制，能完整表達(dá)載荷歷程的損傷特性。利用此方法，搜索各個(gè)順序效應(yīng)箱，遵循雨流技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)原則，把循環(huán)逐級(jí)插入載荷序列中。處理載荷歷程，需要對(duì)載荷循環(huán)進(jìn)行提取，對(duì)載荷歷程的載荷順序效應(yīng)要有明確表明。要滿足原歷程與載荷循環(huán)的等同性、載荷順序效應(yīng)的一致性，通?？刹捎梅侄翁幚硌b箱的方法。

3.運(yùn)用隨機(jī)有限元法進(jìn)行隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析

近二十年來(lái)，隨機(jī)有限元法逐漸發(fā)展為一種新的工程數(shù)值計(jì)算方法。它的優(yōu)點(diǎn)在于綜合考慮隨機(jī)參數(shù)的影響，因此在動(dòng)力問(wèn)題、符合材料力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)件的可靠度和非線性問(wèn)題等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析方面也有顯著的作用。起重機(jī)工況的復(fù)雜多變，使得許多不確定性因素影響起重機(jī)械的零部件和工程構(gòu)件性能，作用在零部件局部的應(yīng)力應(yīng)變隨機(jī)而變，這些隨機(jī)變量恰好符合隨機(jī)有限元法的研究范疇。

運(yùn)用隨機(jī)有限元法可以計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)的可靠度，結(jié)合隨機(jī)有限元法與可靠性分析可以得到疲勞裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。對(duì)疲勞斷裂可靠性的分析，可以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于支持向量機(jī)、基于混合遺傳算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)適用于解決隱式極限狀態(tài)方程，具有更高的逼近能力和普遍適應(yīng)性；使得編程更加容易，同時(shí)也提高了計(jì)算精度。支持向量機(jī)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，小樣本學(xué)習(xí)能力是它的突出優(yōu)點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)可靠性分析。起重機(jī)械疲勞試驗(yàn)受限于試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，因而用于疲勞試驗(yàn)的試件通常較少，而統(tǒng)計(jì)學(xué)要求大量的試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，故而起重機(jī)械小樣本疲勞實(shí)驗(yàn)不能予以滿足。基于支持向量機(jī)的疲勞斷裂可靠性分析方法可以解決起重機(jī)械小樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)問(wèn)題，它能以較高的精度逼近真實(shí)的功能函數(shù)，減少隱式功能函數(shù)分析的次數(shù)，具有較高的工程實(shí)用性?；旌线z傳算法在起重機(jī)疲勞斷裂可靠性分析中已經(jīng)得到初步運(yùn)用，它不受目標(biāo)函數(shù)是否連續(xù)、線性、可微調(diào)等條件的限制，同時(shí)也彌補(bǔ)了遺傳算法的一些不足。混合遺傳算法優(yōu)化結(jié)果較好，能減少迭代的次數(shù)，提高搜索效率。

4.起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析

起重機(jī)械的疲勞斷裂過(guò)程為：局部出現(xiàn)高塑性區(qū)、萌生斷斷裂紋、短短裂紋擴(kuò)散、長(zhǎng)短裂紋擴(kuò)散、零部件和機(jī)械構(gòu)件功能失效。機(jī)械結(jié)構(gòu)收外界應(yīng)變影響，為平衡外載而引起外形的變化。局部應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)通常用于服役起重機(jī)械的強(qiáng)度評(píng)估，隨著隨機(jī)有限元法在起重機(jī)械疲勞斷裂分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，局部應(yīng)變法得以推廣。

二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，傳統(tǒng)疲勞斷裂可靠性分析一步一步開(kāi)拓發(fā)展，但是隨著起重機(jī)械的快速發(fā)展，傳統(tǒng)疲勞斷裂可靠性分析的方法體現(xiàn)出了越來(lái)越嚴(yán)重的缺點(diǎn)，漸漸無(wú)法滿足起重機(jī)械安全性的要求。二十世紀(jì)九十年代，應(yīng)變疲勞法應(yīng)運(yùn)而生；應(yīng)變疲勞法在起初的開(kāi)拓探索階段尚不成熟，二十一世紀(jì)出現(xiàn)的廣義極大似然疲勞試驗(yàn)法，能以較少的試樣數(shù)據(jù)獲取概率應(yīng)變疲勞性能數(shù)據(jù)，它不同于經(jīng)典極大似然法，受限于在參考載荷水平之外單試樣和單項(xiàng)冪指數(shù)疲勞關(guān)系的要求。新的廣義極大似然疲勞試驗(yàn)法以及隨機(jī)應(yīng)變載荷疲勞可靠性模型的提出，形成了起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的新方法和新理論。

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