2起重機關鍵結構件疲勞剩余壽命評估方法

針對起重機金屬結構的主要破壞形式：疲勞斷裂，將橋式起重機主要承載構件——焊接箱形主梁跨中危險截面作為研究對象，利用如上所述方法獲取的起重機當量載荷譜，起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)以Miner線性損傷累積理論、線彈性斷裂力學理論和雨流計數(shù)法為理論基礎，運用Paris，Eadogan方程，推導疲勞剩余壽命計算公式，完成通用類橋式起重機疲勞剩余壽命估算。

2．1 Miner線性損傷累積理論及其應力幅等效法

Miner線性累積損傷理論認為【7岱J，在疲勞試驗中，試件在某一給定的應力或應變水平作用下，損傷可以認為是與應力或應變循環(huán)次數(shù)成線性累積關系，當損傷累積達到某一臨界值時就發(fā)生破壞。鑒于我國的《鋼結構檢測評定與加固技術規(guī)程》(YB9257．96)和美國的ASSTHO均采用了Miner理論，本文亦用Miner線性損傷累積理論作為橋式起重機焊接箱形梁的疲勞壽命估算的基礎，認為焊接箱形梁的損傷符合線性累積。Miner線性累積損傷理論認為：結構件在仉作用下，每經(jīng)過一次應力循環(huán)后的損傷為1／M；經(jīng)過刀f次循環(huán)后的損傷值為D，：以；／Ⅳ；，則材料在疲勞破壞時的總損傷累積值D =。∑Ⅲ 生M式中m——f級應力循環(huán)作用次數(shù)M——f級應力循環(huán)下的疲勞壽命當總損傷累積值D達到l時，則表示結構發(fā)生破壞。

另外，大量的試驗研究表明，變幅載荷能夠用一等效的等幅載荷來替代，即用一個等效的等幅載荷試驗同樣的試件將得到與變幅載荷作用下相同的壽命，裂紋擴展情況也基本相同。等效變換的方法比較多，比如Miner等效法、方均根等效法等，本文采用Miner應力幅等效法。應力幅等效公式為通過Miner應力幅等效公式結合Miner疲勞損傷累積理論，可比較準確的將變幅載荷中的各級應力幅換算成一個等效應力幅，使復雜計算簡化。

2．2基于線彈性斷裂力學理論的疲勞剩余壽命

計算公式

大量的結構斷裂事故表明，斷裂與結構的初始缺陷和裂紋有關。起重機箱形主梁采用焊接結構，在焊接接頭中不可避免地存在有氣孔、夾渣、未焊透等初始缺陷，而這些焊接缺陷很容易萌生疲勞裂紋，即焊接結構件的疲勞裂紋均明顯地始發(fā)于初始缺陷，因此起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)可將這些初始缺陷看作是已開始的裂紋。斷裂力學是研究具有初始缺陷的材料和結構在各種使用環(huán)境下裂紋的擴展、失穩(wěn)和止裂的規(guī)律，并以裂紋的尺寸和裂紋的擴展速率為結構損傷的判據(jù)，來估算疲勞裂紋的擴展壽命。因絕大部分焊接結構件的全部疲勞壽命是由裂紋擴展階段決定的【9鋤】，因此，可以應用斷裂力學法計算起重機箱形主梁焊接接頭的疲勞裂紋擴展壽命，以此作為起重機的疲勞剩余壽命。

斷裂力學指出，根據(jù)疲勞裂紋擴展速度山I dN與應力強度因子幅值AK之間的關系，可將疲勞裂紋擴展分為3個階段，第1階段裂紋不擴展階段、第2階段裂紋臨界擴展階段，第3階段裂紋快速擴展階段。其中第2階段是疲勞裂紋擴展的主要階段，也是決定疲勞裂紋擴展壽命胡主要組成部分，對該階段的關系，通常采用線彈性斷裂力學公式描述。

將式(4)代入式(3)，積分后可獲得由初始裂紋ao擴展到失效裂紋口，所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)，即金屬構件的疲勞剩余壽命

2．3雨流計數(shù)法

雨流計數(shù)法是由MATSUISⅪ和ENDO等考慮豫了材料的應力一應變行為而提出的一種計數(shù)方法，認為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，并且其塑性性質表現(xiàn)為應力一應變的遲滯回線，因而假定一個大的應力應變循環(huán)對材料造成的損傷，不受為完成一個小的載荷循環(huán)所截斷的影響，由此將構成較小遲滯回線的載荷循環(huán)從整個載荷循環(huán)中提取出來，其計數(shù)結果與材料的“記憶”特性相一致。因此，雨流計數(shù)法已成為國內外應用最為廣泛的一種統(tǒng)計計數(shù)方法，有關該方法的詳細論述可參考相關文獻。

3工程實例

以VC++6．0為軟件平臺，開發(fā)通用橋式起重機當量載荷譜神經(jīng)網(wǎng)絡獲取機制及其疲勞剩余壽命計算軟件。

3．1評估對象

以某企業(yè)于2006年生產(chǎn)的75／30 t、跨度28．5 m的通用橋式起重機為評估對象，其主要技術參數(shù)如下：工作級別A6，輪距4．5 m，起升高度14 m，起升速度1／9 m／min，大車速度為50 rn／min，小車速度為20 rn／min，上(下)蓋板厚×長為18 111111×800 mm，腹板厚×高8 mmx2 100 ITlm，軌道型號QU80。

3．2參數(shù)設置

C與以是與試驗條件有關的材料常數(shù)，可以通第1I階段(裂紋臨界擴展階段)以及第1II階段(裂紋快過試驗測出。對于大多數(shù)工程常用的金屬材料，速擴展階段)。其中第lI階段是疲勞裂紋擴展的主要甩=2,--．,41n1,根據(jù)試驗，起重機焊接箱形梁采用Q235紋的起裂長度，其值約在O．5～2mill范圍內【12】，這里取0．5mrll。失效裂紋尺寸，，的取值由裂紋處的應力強度因子以及材料的斷裂韌度決定，根據(jù)相關起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)試驗分析和文獻【15-16]，并經(jīng)計算驗證，，，=80～100mm所得的疲勞壽命相差不大，考慮到額定起升載荷為75 t的橋式起重機實際工作狀況中的應力范圍，取0=90mm。

3．3疲勞剩余壽命計算

應用上文所述的起重機疲勞載荷譜獲取方法獲取樣機的當量載荷譜，如表2所示，將其轉化為主梁跨中危險截面危險點處的疲勞應力譜；用雨流計數(shù)法從疲勞應力譜中提取各級應力幅、各級應力幅的循環(huán)次數(shù)及總循環(huán)次數(shù)；根據(jù)Miner疲勞損傷應力幅等效公式計算出該疲勞應力譜的等效應力幅仃。；將等效應力幅值仃。代入金屬構件疲勞剩余壽命的計算公式，即可估算出起重機主梁的疲勞剩余壽命。為進一步驗證所述方法的有效性，對該起重機進行了為期50 d的現(xiàn)場跟蹤實測。相關計算和實測結果如表3所示。

剩余壽命35．6年的相對誤差不超過10％，說明應用本文所述方法計算起重機的疲勞剩余壽命是可行和有效的。

4結論

(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡獲取當量載荷譜的起重機疲勞剩余壽命估算方法，是針對起重機使用工況高度隨機性和不確定性而提出的有別于傳統(tǒng)試驗和模擬仿真的一種估算起重機疲勞剩余壽命的創(chuàng)新思想。

(2)利用訓練好的網(wǎng)絡模型，通過計算機可快速獲取該類型起重機的相當于實際載荷譜的當量載荷譜及估算其主梁的疲勞剩余壽命，大大節(jié)省起重機現(xiàn)場實測的煩瑣過程和大量投入，實現(xiàn)獲取當量載荷譜方便及能準確估算起重機主梁疲勞剩余壽命的目的。

(3)應用本文方法與實測應力譜計算的疲勞剩余壽命相比相對誤差不超過lo％，在工程上可以接受，表明本方法是可行和有效的。