于佳田,聶春戈,郝月,朱昊天,胡越,李闖

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧大連 116028）

關(guān)鍵字：塔機(jī)；子模型技術(shù)；雨流計數(shù)法；疲勞性能預(yù)測

0 引言

塔機(jī)作為一種重要的工程設(shè)備，在各類工程建設(shè)中發(fā)揮著無可替代的作用。隨著塔機(jī)吊重滿載率增加，工作繁忙程度加重，塔機(jī)所引起的事故也越來越頻繁。通過調(diào)研及分析這些塔機(jī)的安全事故，有很大一部分是由塔機(jī)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞引起的，并且塔機(jī)疲勞失效多集中在各主要部件及關(guān)鍵構(gòu)件的連接處[1]。塔尖結(jié)構(gòu)是塔機(jī)的主要關(guān)鍵部件之一，它是主要的承載體，承受和傳遞各種方向的力和轉(zhuǎn)矩等。所以對塔尖焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能預(yù)測具有現(xiàn)實(shí)的意義，同時也是設(shè)計階段的重要一步。

塔尖焊接構(gòu)件的疲勞性能是塔尖在起吊、變幅、回轉(zhuǎn)等載荷共同作用下合成的，由計算所得的損傷比判斷。塔機(jī)高度較高，有限元網(wǎng)格模型龐大，計算時間過長，同時對計算機(jī)硬件要求很高。運(yùn)用子模型技術(shù)，選取塔尖上橫梁與小耳板的焊縫附近的有限元模型建立子模型并對其分析求解，通過提取疲勞工況下焊縫各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力[2]，計算危險焊縫處的疲勞損傷比，預(yù)測其焊接疲勞性能。

1 塔機(jī)的力學(xué)模型

1.1 塔機(jī)的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)

塔機(jī)基本參數(shù)是指直接影響塔吊工作性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造成本的各種參數(shù)，包括：起重力矩、起重量、起重臂最大工作幅度、起升高度和各工作機(jī)構(gòu)的工作速度等。某塔機(jī)整機(jī)尺寸如表1。

表1 塔機(jī)整機(jī)質(zhì)量及尺寸表

該塔機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括塔身，兩個主臂，兩個副臂，卷揚(yáng)機(jī)固定在塔尖上，其結(jié)構(gòu)具有對稱性，該塔機(jī)的構(gòu)件均為桿件和板殼，在SolidWorks中建立了塔機(jī)的整體模型如圖1所示。此次研究的塔機(jī)在實(shí)際運(yùn)用中兩個主臂同步起吊，其工作環(huán)境較為惡劣，在承受重物的重量的同時還要承受很大的風(fēng)載荷。

圖1 塔機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 整體有限元模型建立

鑒于塔機(jī)實(shí)際模型比較復(fù)雜，包括一些的滑輪和油缸等，這些結(jié)構(gòu)難以用有限元模型精確表達(dá)，在保證所建立有限元模型貼近塔機(jī)實(shí)際工作情況的基礎(chǔ)上需要對模型經(jīng)行必要的簡化[3-4]。將簡化的塔機(jī)幾何模型導(dǎo)入Hypermesh，因其大部分為空間桁架結(jié)構(gòu)故用梁單元模擬，對于腹管先建立中線再劃分一維單元；箱體結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋板先抽取中面再劃分殼單元。在HyperMesh中建立了塔機(jī)的完整模型后共得到65 718個單元個單元、61 971個節(jié)點(diǎn)，劃分好的塔機(jī)整體有限元網(wǎng)格如圖2所示，塔尖結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格如圖3所示。該塔機(jī)回轉(zhuǎn)部位所用材料為Q450鋼，塔身、吊臂及塔尖為Q390鋼。通過查找材料，塔尖桿件材料的彈性模量為216 GPa、泊松比為0.3。

圖2 塔機(jī)有限元模型

圖3 塔尖有限元模型

1.3 工況的建立及有限元分析結(jié)果

該塔機(jī)底部固定為球鉸約束，所以在有限元模型中固定其底部三個方向的移動自由度。腰環(huán)處為水平約束，所以在腰環(huán)約束位置添加水平約束（由于模型中X、Z為水平方向，Y為豎直方向，故添加水平約束為1-3）。根據(jù)某企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選取塔機(jī)在兩側(cè)吊臂水平狀態(tài)下，左側(cè)吊重1.1 t、右側(cè)吊重1.6 t作為疲勞工況，并在疲勞工況下對塔機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析。截取塔尖應(yīng)力分布云圖如圖4所示，塔機(jī)最大應(yīng)力值均低于使用材料的許用應(yīng)力，塔機(jī)滿足強(qiáng)度要求。

圖4 疲勞工況的應(yīng)力云圖

2 子模型的建立

2.1 子模型技術(shù)概述

子模型是基于圣維南原理[5]，在實(shí)際工程問題分析程中，為獲取模型局部區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)稱作子模型技術(shù)[6]。子模型法的應(yīng)用不但可通過細(xì)化用戶關(guān)注的局部部位的有限元網(wǎng)格大小與數(shù)目來降低誤差，而且在計算機(jī)計算能力有限的條件下，能夠提供更為準(zhǔn)確省時的疲勞壽命預(yù)測。

2.2 創(chuàng)建子模型

此次研究的子模型是從整體模型上直接截取，這可以快速得到和整體有限元模型中空間坐標(biāo)系一致的子模型，同時還要保證子模型中單元材料以及單元屬性與母體模型一致[7]。由圖4可知小耳板相對于其他部位是受力最復(fù)雜、最頻繁的，所以選此處三條焊縫進(jìn)行疲勞性能預(yù)測。選取遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行切割，切割位置、焊縫位置如圖5所示。

圖5 子模型切割位置及焊縫位置

2.3 子模型分析

截取子模型后的一般分析步驟如下[8]：1）生成切割邊界插值；2）建立子模型切割邊界的載荷文件；3）讀入切割邊界位移并施加載荷文件；4）子模型方法驗(yàn)證。

綜合上述，子模型的整體分析流程如圖6所示。

圖6 子模型分析的流程

3 子模型技術(shù)在塔尖焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能預(yù)測中的應(yīng)用

3.1 疲勞載荷譜的測取

在塔機(jī)實(shí)際工作時，采用貼應(yīng)變片的方法，使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)合實(shí)際采集的各工況下的塔機(jī)的應(yīng)力時間歷程，采用雨流計數(shù)法進(jìn)行載荷譜的編制，最后得到隨機(jī)載荷譜[9]。

進(jìn)行疲勞性能分析，開始需確定各零部件工作狀態(tài)下所受的擾動載荷譜[10]。由于塔機(jī)在實(shí)際工作中，各部件的受力情況各不相同。所以測點(diǎn)的選取應(yīng)能夠均衡地反映塔機(jī)的整體受力的位置。本次實(shí)驗(yàn)選取了5點(diǎn)作為主要測試點(diǎn)，測點(diǎn)布置示意圖如圖7所示。

對測得的原始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除奇異點(diǎn)、濾波等處理，如果樣本信號有漂移問題，還需要對其進(jìn)行零點(diǎn)漂移處理。減小或消除干擾信號和奇異信號對實(shí)際載荷譜的影響，提高樣本采集的信噪比，為下一步載荷譜的統(tǒng)計做好準(zhǔn)備。

圖7 應(yīng)力測點(diǎn)的布置位置

3.2 疲勞載荷譜的處理

在塔機(jī)的工作過程中，塔機(jī)的應(yīng)力是隨著時間的變化而隨機(jī)變化的，所以要對塔機(jī)焊接部位的焊縫進(jìn)行疲勞分析就需要對測得的應(yīng)力時間歷程進(jìn)行統(tǒng)計，運(yùn)用雨流計數(shù)法對隨機(jī)載荷進(jìn)行計數(shù)能更準(zhǔn)確地統(tǒng)計塔機(jī)的載荷譜，進(jìn)而更準(zhǔn)確地預(yù)測其焊縫的疲勞性能。首先根據(jù)采樣定理來采集數(shù)據(jù)樣本，并記錄其時間載荷歷程，如果截止頻率為fc，則采樣間隔為

而后選取3個連續(xù)的數(shù)據(jù)樣本，去除其中非極值點(diǎn)數(shù)據(jù)，把采樣時間轉(zhuǎn)變?yōu)榉骞戎档男蛱?。通過獲取的峰谷值的序號選擇4點(diǎn)，使用雨流計數(shù)法則進(jìn)行雨流計數(shù)。記錄下一個循環(huán)（全波），可得到范圍值、幅值、平均值。

然后應(yīng)用變程均值計數(shù)法，分別對得到范圍和均值進(jìn)行統(tǒng)計計數(shù)，將具有相同范圍的兩個半波均值合成一個完整的全波。最后綜合計算結(jié)果，完成整個載荷時間歷程的雨流計數(shù)[11]。如圖8所示，為該塔機(jī)應(yīng)力測試樣本經(jīng)雨流計數(shù)法統(tǒng)計后的應(yīng)力分布直方圖。

圖8 塔機(jī)應(yīng)力信號的雨流計數(shù)直方圖

3.3 塔尖焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的計算結(jié)果與分析

根據(jù)上面子模型法的步驟，在疲勞工況下建立子模型，并對子模型進(jìn)行分析求解，比較切割邊界的應(yīng)力與整體模型相應(yīng)位置的應(yīng)力值[12-13]，其結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在切割邊界上子模型和整體模型的應(yīng)力值相近，確保切割邊界選取的正確性。用子模型計算后的結(jié)果文件，處理得到疲勞載荷譜，基于網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法原理[14]對塔尖上橫梁與小耳板的三條焊縫進(jìn)行疲勞性能預(yù)測，其疲勞損傷比結(jié)果如表3所示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖9所示。

由上述計算結(jié)果可知：三條焊縫的節(jié)點(diǎn)最大疲勞損傷比分別為8.65×10-7、6.91×10-8、7.02×10-8，所評估的三條焊縫疲勞損傷均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，該焊接結(jié)構(gòu)具有良好的疲勞性能儲備，完全滿足疲勞壽命的使用要求。疲勞仿真研究可在產(chǎn)品設(shè)計階段預(yù)測疲勞壽命。減少試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量，縮短開發(fā)周期[15]。

表2 子模型切割邊界應(yīng)力值與整體模型相應(yīng)位置應(yīng)力值比較

表3 三條焊縫各點(diǎn)的疲勞累積損傷

圖9 三條焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4 結(jié)語

通過該塔機(jī)的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)特征建立精確的力學(xué)模型，采用高效適用的子模型技術(shù)，直接從塔機(jī)整體模型中截取關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)作為子模型進(jìn)行焊接疲勞預(yù)測，能夠有效降低大型焊接構(gòu)架有限元模型的計算時間，提高工作效率，通過實(shí)測獲得載荷譜，以結(jié)構(gòu)應(yīng)力法為依據(jù)，采用Miner累積損傷法則，對選取的關(guān)鍵焊縫進(jìn)行疲勞性能預(yù)測，分析結(jié)果對塔機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的貢獻(xiàn)，并可為其它的大型焊接構(gòu)架的壽命預(yù)測提供參考。