1、 断裂力学视角下工程起重器疲劳寿命预估1 绪论1.1 工程起重机简介工程起重机在建设施工中具有重要的作用。工程起重机的应用，减轻了人的劳动强度，降低了建设成本，加快了建设速度，提高了建设质量，提高了工程施工的机械化水平。根据结构形式的不同，丁程起重机主要包括轮胎起重机、塔式起重机、履带起重机以及桅杆式起重机等如图 1.1 所示。由于工程起重机具有使用方便、作业适应性大等优点，广泛应用于设备安装维修、房屋建设、仓库及料场的物料搬运等。采用名义应力法估算疲劳寿命，过程简单，易于掌握，而且在大量试验研究的基础上，存在很多经验和数据，便于应用。同时，该方法也存在着一些不足。由于计算过程中参数众多，这些
2、参数选取是否合理，很大程度上依赖于使用者的经验，导致估算结果有一定的误差。对于结构来说，由于结构特点不同，采用材料的疲劳曲线进行计算会有很大偏差。通过试验获得准确的结构疲劳性能数据，代价不菲。而且，该方法的基本假设与实际情况不符，没有将缺口处的局部塑形变形考虑在内。在复杂载荷作用下，该方法不能顾及加载顺序的影响4。局部应力应变法考虑了结构中某些部位塑性变形对疲劳寿命的影响，主要应用于计算低周疲劳问题。局部应力应变法是采用一定的计算方法将结构的名义应力谱转变为局部的应力应变谱，结合材料的循环应力应变曲线，来估算结构的疲劳寿命4。使用这种方法估算疲劳寿命时，由于考虑了局部塑性变形的影响，能够获得更
3、加准确的估算结果。该方法虽然估算精度较高，但也存在以下的不足。该方法在将缺口根部与光滑试样之间进行等效时会产生偏差4。在进行寿命估算时，公式和参数的选取在很大程度上依赖经验，而且有些公式物理意义不明确，造成该方法使用不便。裂纹在结构中发生扩展、断裂的规律，结合材料疲劳性能、裂纹形状，来进行疲劳寿命估算5。由于考虑了初始裂纹对寿命的影响，采用断裂力学进行结构寿命评估时具有独特的优势。同时，这种方法也存在者一些不足之处，需要改进。一般情况下，采用规则裂紋作为研究对象获得应力强度因子模型，与实际裂纹形状有一定差别。当无法测得结构中初始缺陷时，因无法计算而使得结果出现误差5。1.2 起重机疲劳评估技术
4、现状随着使用年限的增加，很多工程起重机结构因疲劳破坏造成了结构失效。1999 年，塔式起重机在使用过程中因悍缝撕裂，造成起重臂等结构倒塌。 2003 年，某工地的 TQ630 塔机在起重物时，塔身一弦杆内侧对接焊缝开裂，-致塔机倒塌8。某铸造起重机主梁结构断裂而造成严重事故，经济损失巨大9。对一些使川次数较多的履带起重机臂架检查发现，在臂架焊接部位存在着不同长度的裂纹，埋下了极大的安全隐忠。1995 年，-台多用途起重机因臂架断裂造成了巨大损失G。经研究发现，这些事故的产生原因是疲劳破坏，使得人们更加关注工程起重机的疲劳破坏问题。针对存在的疲劳问题，名义应力法已经应用于工程起重机结构的疲劳寿命
5、评佔中。塔式起重机是建造高层建筑时重要的起重设备，下面介绍采用名义应力法对该种塔机进行疲劳评估。陈国华11采用名义应力法，以 ANSYS 和 FATIGUE 软件为基础，对 QTZ40 塔机的疲劳寿命进行评估。侯沂等12采用有限元法分析了变幅载荷和冲击载荷作用下 QTZ4010 塔机结构的应力时间历程，名义应力法与 FATIGUE 软件获得了结构的疲劳寿命，提出了一种新的计算思路。张勤超等3对一台 MQ1025 门座起重机采用名义应力法进行评估。引起工程起重机结构破坏的原因有很多，如疲劳破坏、超载、腐烛破坏、误操作等。:1:程起重机一般由多个悍接部件组成，结构复杂。制造这些悍接结构时，缺陷的产
6、生避免不了，而且在使 ffl 过程中也会产生缺陷和裂纹。工程起重机服役期间，有的结构发生开裂现象。工作过程中，交变载荷是工程起重机结构承受的主耍载荷形式，因此，疲劳破坏是主要的结构失效形式之一。在起重机设计阶段，采用应力比法对结构进行疲劳强度校核，计算简单，但对于工程使用中的起重机来说不准确。釆用断裂力学可以很好地预测金属结构的疲劳寿命，即使存在残余应力和变幅载荷的条件下，也可以应用26 。由于断裂力学理论在计算过程中涉及裂纹，因此，对于含有裂纹的工程起重机结构来说，断裂力学理论是进行疲劳寿命评估的一种比较适合的理论。为了工程起重机设备的使用安全，本文对其进行疲劳寿命评估研究，为具体的起重机设
7、备的安全使用提供相应的维修、报废依据。2 疲劳理论和有限元理论2.1 断裂力学理论研究发现，结构内的初始缺陷是造成疲劳破坏事故的发生的原因。由于断裂力学理论考虑了初始缺陷的影响，可以应用于大型的重要结构件和接件的疲劳寿命评估。2.1.1 应力强度因子应力强度因子概念的提出奠定了线弹性断裂力学的基础。应力强度因子是反映裂纹一尖端附近区域内的应力场强弱程度的一个基本参数3 。根据作用于裂纹处载荷的不同，将裂纹分为 I 型、n 型和m 型三种，如图 2.1 所示。其中，I 型称为张开型，n 型称为滑开型，m 型称为撕开型。将 I 型、n 型和 m 型裂纹的应力强度因子分别记为 Ki、 Kn、 K?i
8、。其中，I 型裂纹是最容易引起破坏的形式。在等幅载荷作用下，疲劳寿命计算简单；当承受复杂载荷作用时，疲劳累积损伤理论是进行疲劳寿命评估的关键。损伤是材料承受载荷所产生的影响，当载荷超过疲劳极限时就会产生损伤，当损伤和达到极限值时，材料将发生疲劳破坏。因此，疲劳可以看作是损伤不断积累的过程3。根据损伤累积方式的不同，目前已经存在很多累积损伤理论，可分为线性、非线性、双线性和概率的累积损伤理论。下面将详细介绍这些理论。3 工程起重机的疲劳寿命评估. 23-293.1 工程起重机疲劳寿命评估流程. 23-243.2 疲劳危险部位的确定方法. 243.3 载荷谱的确定方法 .24-253.4 疲劳寿命
9、评估方法.25-283.4.1 裂纹特征确定. 25-273.4.2 疲劳寿命分析.27-283.5 本章小结 .28-294 50t 履带起重机疲劳寿命评估与分析. 29-504.1 履带起重机结构和参数. 29-314.1.1 履带起重机结构. 29-304.1.2 臂架结构参数. 30-314.2 有限元建模与疲劳危险部位. 31-334.2.1 臂架结构有限元建模. 314.2.2 疲劳危险部位 .31-334.3 载荷谱与材料性能参数. 33-374.3.1 载荷谱. 33-364.3.2 材料性能参数 .36-374.4 含表面裂纹的臂架结构疲劳寿命.37-444.5 含埋藏裂纹的
10、结构疲劳寿命评估. 44-484.6 本章小结. 48-50结论全文研究工作总结：(1)在断裂力学理论、疲劳累积损伤理论、有限元法的基础上，总结了采用断裂力学进行工程起重机结构疲劳寿命评估的流程和步骤，提供了新的评估思路。(2)对某公司实际使用的一台 50t 履带起重机进行疲劳寿命评估。由于臂架是主要的结构承载件，因此，臂架结构的疲劳寿命是研究的重点。根据有限元分析和调查统计分析结果，确定臂架底节焊接接头焊缝处为疲劳危险部位。根据统计的载荷数据，模拟得到了危险部位的载荷谱。针对不同的裂紋特性，得到了不同的检测依据，保证了该起重机的使用安全。(3)通过采用总结的评估流程对使用中的履带起重机进行评估，计算结果可信，验证了该评估流程的合理性，可以用于工程起重机结构疲劳寿命评估。
