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摘要 疲劳破坏是港口起重机金属结构失效的主要形式，而港口起重机金属结构作 为一个承载结构系统，它的失效不仅使起重机失去功能，而且容易导致重大事故， 给生产和人身安全带来巨大危害。本文以厦门港务集团海天集装箱有限公司4 号集装箱装卸桥为例，深入分析了金属结构疲劳裂纹的控制与管理问题。 起重机金属结构的安全性评价主要包括常规检测与评价、疲劳强度检测与剩 余寿命估算两个方面的内容。论文首先根据港口机械设备管理对起重机金属结构 安全评价的需求，对结构安全性检测评价的基本依据、检测内容及其工作规程进 行了详细的分析与总结，提出了对基本安全性检测的指标构件应力状况进行 检测，同时对于工作时间已久的机型还应进行裂纹、变形、锈蚀的检测，构件之 间连接状态的检查，以及主要结构件重要截面处对接焊缝的探伤等，为港口起重 机金属结构的日常管理提供参考。 论文将研究的重点放在港口起重机金属结构疲劳强度检测与剩余寿命估算 问题上。通过分析比较国f h # i , 的各种疲劳理论和疲劳分析方法，建立了以断裂力 学和损伤力学为基础的结构疲劳裂纹分析控制模型，专门应用于港机金属结构疲 劳裂纹的管理问题。模型提出了界限应力的概念，分析了影响界限应力的主要因 素，并且对不同材料类型在不同应力循环特性下的界限应力进行了分析与界定。 通过分析超过界限应力水平的应力循环，对不同结构形式的临界裂纹进行了计 算。应用线性累计损伤理论和裂纹张开位移c o d 理论，对结构的疲劳裂纹从初 始裂纹长度扩展到临界裂纹长度的寿命进行了估算，以此作为制定金属结构巡检 点和巡检周期的理论依据。 论文最后将建立的结构疲劳裂纹分析控制模型，应用于厦门港务集团海天集 装箱有限公司4 号集装箱装卸桥金属结构的检测。通过选取横梁截面上的点、前 梁悬臂端在前面与大拉杆连接处附近的点以及前拉杆和后拉杆上的点作为典型 测点，并对以上各点的工作应力情况进行测试了分析，确定了在日常管理中的巡 检点和巡检周期。 实践证明，论文中所提出的疲劳裂纹控制与管理办法克服了以往设备巡检方 法的盲目性，大大提高了巡检效率与准确性，为港口机械设备管理提出了新的思 路与方法，具有很大的实际意义。 关键词：疲劳，界限麻力，临界裂纹，裂纹扩展寿命，巡检周期 a b s t r a c t f a t i g u eb r e a k i n gi st h em a i nf o r mo fs t r u c t u r ei n v a l i d a t i o no fp o r tc r a n e a n da sas y s t e mu n d e rl o a d s ，i t si n v a l i d a t i o nc a u s e sn o to n l yt h ed i s a b i l i t yo f c r a n e ，b u ta l s of a t a la c c i d e n t sw h i c hi sag r e a td a n g e rt ob o t hp r o d u c t i o na n d p e r s o n a ls a f e t y i n t h i s p a p e r ，n o 4c o n t a i n e r c r a n ei nx i a m e nh a i t i a n c o n t a i n e rt e r m i n a l ( x h c t ) i st a k e na sa ne x a m p l et os t u d yt h ep r o b l e mo f f a t i g u ec r a c kc o n t r o la n dr e g u l a t i o no fm e t a ls t r u c t u r e t h es a f e t ye v a l u a t i o no fc r a n em e t a ls t r u c t u r ei n c l u d e sr o u t i n ec h e c k ， f a t i g u es t r e n g t ht e s t i n ga n dr e m n a n tl i f ee s t i m a t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h e p a p e r , w ea n a l y z ea n ds u m m a r i z e i t sf o u n d a t i o n ，t e s t i n gi t e m sa n dp r o c e d u r e s o fs t r u c t u r es a f e t ye v a l u a t i o n ，a n dp u tf o r w a r ds e v e r a lm e a s u r e sa sr e f e r e n c e f o rm e t a ls t r u c t u r ed a i l yr e g u l a t i o no fp o r tc r a n e s ，n a m e l yt e s t i n gs t r u c t u r e s t r e s s ，w h i c hi st h em a i nf a c t o ro fs a f e t y , a sw e l la sc r a c k ，d e f o r m a t i o na n dr u s t c o r r u p t i o n ，e s p e c i a l l yo nt h o s ee x t r e m e l yo l dm a c h i n e s t h ej o i n ts t a t eo ft w o c o m p o n e n t sa n dw e l d i n gl i n eo ni m p o r t a n ts e c t i o no ft h em a i ns t r u c t u r ea r e a l s om a i nc h e c k i n gf a c t o r s ， f a t i g u es t r e n g t ht e s t i n ga n dr e m n a n tl i f ee s t i m a t i o no fp o r tc r a n e s m e t a l s t r u c t u r ea r et h ef o c u so ft h ep a p e r a f t e rc o m p a r i s o no fv a r i o u sf a t i g u e t h e o r i e sa n da n a l y s i sm e t h o d s ，w ee s t a b l i s ham o d e lf o rf a t i g u ec r a c ka n a l y s i s a n dc o n t r o io nt h eb a s i so ff r a c t u r em e c h a n i c sa n dd a m n i f i c a t i o nm e c h a n i c s ， w h i c hi ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rf a t i g u ec r a c kr e g u l a t i o no fp o r tc r a n e s m e t a l s t r u c t u r e i nt h em o d e l ，t h ec o n c e p to fb o u n d a r ys t r e s si sa d v a n c e da n dt h e m a i nf a c t o r sr e l a t e dt oi ta r ea n a l y z e d t h ee x a c tv a l u e so fb o u n d a r ys t r e s so f d i f f e r e n tm a t e r i a l su n d e rl o a d sw i t hv a r i o u ss t r e s s e sc i r c u l a t i o nc h a r a c t er i s t i c s a r ea l s oc a l c u l a t e da n df i x e d w ea n a l y z et h o s ec i r c u l a t i o n sw h o s es t r e s s l e v e l sa r eh i g h e rt h a nb o u n d a r ys t r e s s ，a n dc o m p u t et h el e n g t ho ft h ec r i t i c a l c r a c ko fd i f f e r e n ts t r u c t u r e s a c c o r d i n gt ot h el i n e a ra c c u m u l a t i v ed a m n i f i c a t i o n t h e o r ya n dc o dt h e o r y , t h ec r a c kg r o w i n gl i f ef r o mt h ei n i t i a t e dl e n g t ht ot h e c r i t i c a l l e n g t h i sa l s oc a l c u l a t e db yt h em o d e l ，w h i c hc a nb et h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o rt h es e l e c t i o no fc h e c k i n gp o i n t sa n de s t a b l i s h m e n to fc h e c k i n g i n t e r v a l so ft h e s ep o i n t s a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h em o d e ls e tu pi nf o r m e rc h a p t e ri sa p p l i e dt o l i n o 4c r a n ei nx h c t w es e l e c ts e v e r a lp o i n t so nt h ec r a n ea ss t u d yob j e c t s ， t e s ta n da n a l y z et h e i rw o r k i n gs t r e s s e st od e c i d ew h e r et oc h e c ka n dh o w l o n g t oc h e c kt h e m a l lt h er e s u l t sw eg e tf r o md a i l yp r a c t i c es h o wt h a tt h em e t h o d sw ep u t f o r w a r di nt h ep a p e rt oc o n t r o la n dr e g u l a t ef a t i g u ec r a c kh a v eo v e r c o m et h e b l i n d n e s so ft h et r a d i t i o n a lw a y se m p l o y e di np o r te n t e r p r i s e s ，a n di m p r o v e d c h e c k i n ge f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y t h e s em e t h o d so f f e rab r a n dn e ww a yo f e q u i p m e n tr e g u l a t i o nf o rt h ep o r te n t e r p r i s e sa n dh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o t h e m l u oq i n s h e n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e d n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs h e ny i f e ia n ds e n i o re n g i n e e rh u a n gz i r o n g k e y w o r d s ：f a t i g u e ，b o u n d a r ys t r e s s ，c r i t i c a lc r a c k ，c r a c kg r o w i n gl i f e ，c h e c k i n gi n t e r v a l s 1 1 i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：二纽日期：2 塑厶z 2 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：址翩签名：蛳 日期：2 竺翌墨：! ) 上海海事大学工程硕士学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 1 1 论文研究的目的与意义 第一章绪论 本文的课题来源于厦门港务集团海天集装箱有限公司“集装箱装卸桥金属结 构裂纹控制与管理”技管创新项目。 疲劳破坏是港口起重机金属结构失效的主要形式，而港口起重机会属结构作 为一个承载结构系统，它的失效不仅使起重机失去功能，而且容易导致断臂等重 大事故，给生产和人身安全带来巨大危害。引起港口起重机金属结构失效的故障 主要有裂纹、局部或整体变形、折断、锈蚀、刚度不足等型式，其中裂纹是目前 港口起重机的主要故障型式，例如：在集装箱装卸桥的前后大梁、拉杆、门架等 主要构件上常有裂纹出现。裂纹主要产生在焊缝本身或焊缝附近的母材，在定 的变化载荷作用下，往往会造成裂纹扩展，致使金属结构出现故障。 目前我国沿海和内河港口拥有一千余台大型港口机械，其中1 3 是6 0 年代至 7 0 年代我国自行设计制造或从东欧进口，也有少数是从美国、日本等国进口的二 手设备。这批起重机的机械零件、金属结构已不同程度地出现各种损伤，按设计 寿命2 0 2 5 年考虑，也已经进入服役后期或超期服役阶段。但由于港口具体条件 和设备更新费用的限制，不少有结构损伤的港口起重机仍在港口第一线繁忙地工 作，对安全生产构成了潜在的威胁。如果对这些设备予以简单的报废处理，又近 乎是一种浪费。随着时间的推移，后续还有大批起重机相继服役期满。究竟如何 处置这一问题，是港口管理者难以决策的事情。为此，不少港口希望对起重机金 属结构的故障机理、损伤原因、防治对策以及结构使用寿命估算展开研究，拿出 一套有效的检测、评定、分析、防治的方法和规范，以指导港口对大型起重机械 的科学管理，让港口生产管理者的设备管理者放心。 本文是结合上述港口生产和设备技术管理的实际需要，着重从在役港口起重 机金属结构裂纹控制与管理角度进行研究的，该工作的主要内容是建立起起重机 金属结构疲劳裂纹控制和管理体系，以理论的角度去验证疲劳裂纹对起重机金属 结构安全的影响，以及进行疲劳强度剩余寿命分析，从而对金属结构安全性检测 结果进行技术论证。论文重点研究分析了随机载荷作用下焊接结构疲劳强度及剩 余寿命问题，提出了能应用于生产实际的港口起重机金属结构剩余寿命估算方法， 对目前结构疲劳分析中最常用的名义应力法、局部应力一应变法、应力幅法和损伤 上海海事火学r 程硕士学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 容限法的特点及适用性进行了研究，为在役港口超重机提供了一套金属结构疲劳 裂纹控制与管理方法。 1 2 结构疲劳问题的研究概况与现状 结构安全性问题，从产品设计阶段开始就被作为一个主要问题予以考虑，并 贯穿至制造、使用直至报废的全过程。本课题研究的是港口起重机金属结构在使 用过程中的疲劳裂纹控制与管理办法，它是在对在役起重机实际检测的基础上， 由检测检测结果与判据的比较分析一得出结论三个步骤组成，在结论中需要给 出两方面的评价意见或结论：一是常规安全性检测结果及评价，包括金属结构的 静应力与动应力以及刚度状况的检测结果，有时还包括变形、连接和锈蚀等检测 结果；二是结构的疲劳强度和剩余寿命分析，估算出结构的剩余疲劳寿命或允许 存在的裂纹长度，用于作为损伤结构安全与否及确定巡检周期的依据。对于常规 安全性检测，虽然技术上已经比较成熟，然而迄今为止，尚缺乏适用于在役港口 起重机安全性检测的系统和完整的方法体系。至于如何预计结构在复杂载荷下的 疲劳寿命，更是设计者与工程技术人员十分关注的问题，也是在役起重机金属结 构安全性评价的重点和难点。由于影响结构安全及疲劳寿命的因素很多，如载荷 谱、材料性能、结构几何形状和使用环境等，使得金属结构件的疲劳寿命预计很 复杂，特别是对焊接结构而言。 1 2 1 疲劳问题的研究概况 有关疲劳的研究历史已经有一百多年的历史，1 8 2 9 年，德国采矿工程师阿尔 伯特( 呲a j a l b e r t ) 做了铁链的重复载荷试验提出了第一个疲劳问题的研究报告。 19 世纪3 0 年代，铁路在欧洲迅速发展，疲劳破坏常常出现在铁路机车或车辆的 车轴上，而且总有规律地发生在轴问处。随着铁制桥梁越来越多地代替石桥梁， 桥梁的疲劳问题也引起了人们的重视。1 8 3 9 年巴黎大学教授波客来特 ( j u p o n c e l e f ) 在讲课中首先使用了“金属疲劳( f a t i g u e ) ”的概念来描述“在 反复施加的载荷作用下的结构破坏现象”。但是以疲劳一词作为题目的第一篇论文 是出玻瑞士维特( b r i t h w a i t e ) 1 8 5 4 年在伦敦土木工程师学会上发表的。1 8 5 0 年 18 6 0 年德国工程师韦勒( w o h l e r ) ，针对当时火车车轴在重复应力的作用下，多 次发生台肩处断裂事故，开展了疲劳试验，首次对车轴的疲劳问题进行了系统的 研究，提出了应力一寿命( s 一) 曲线和疲劳极限的概念，并指出应力的幅值比最 2 七海海事大学工程硕j 学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 火应力对材料的疲劳寿命的影响要大得多。1 8 7 0 1 8 9 0 年间，在韦勒工作的基础 上，g e r b e r 研究了平均应力对疲劳寿命的影响。古德曼( h g o o d m a n ) 提出了考 虑下平均应力影响的简化理论。 2 0 世纪初，出于光学显微镜开始应用于疲劳机理的研究，使人们观察到了局 部滑移线和滑移带引起的裂纹。2 0 年代和3 0 年代，伦敦国家物理试验室的赫尔 伯特( h e r b e r t ) , 高夫( g o u g h ) 等在疲劳机理的研究上作出重大的贡献。1 9 2 0 年格里菲思( a a g 椭- 帅) 发表了关于脆性断裂的著名论文，即玻璃的强度取决地 微裂纹的大小。1 9 2 9 年到1 9 3 0 年哈埃( h a i h g ) 合理解释了高强度钢和软钢的缺 口试件对缺口的不同响应。1 9 3 7 年诺伯( h n e u b e r ) 提出了缺口处的应力梯度效 应，同时发现缺口根部附近小体积中的平均应力比缺口峰值应力更为重要。1 9 3 8 年，加斯莱尔( e g a s s m e r ) 首次提出了程序试验的方法。 在第二次世界大战年代里，疲劳研究集中在提高零件和结构的疲劳度，探索 新材料和改进材料的特性上。1 9 4 5 年迈纳( m a m i n e r ) 在瑞典工程师帕尔姆格 雷( p a l m g r e n ) 于1 9 2 4 年提出的球轴承疲劳准则的基础上发表了线性累积损伤 假说，这个著名的假说通常称为帕尔姆格雷迈纳准则，或迈纳准则。尽管存在一 些缺陷，这个准则在疲劳寿命估算中仍然是一个重要的工具。在许多情况下，实 验结果和理论研究都认为这一线性累积损伤假说简单、合理和实用。第二次世界 大战后，疲劳研究提高到一个新的水平，许多研究者从事于探讨与疲劳破坏有关 的影响因素和机理，对疲劳行为的研究范围，已从接近原子尺度到庞大的实际工 程结构。人们从一系列灾难性事故中，逐渐认识到疲劳研究的重要性。战后特别 在航空工业中广泛开展了对材料和结构疲劳的研究，人们把更多的注意力集中在 通过实验室近似地模拟实际载荷条件来预测结构的疲劳寿命上。从6 0 年代中期丌 始，电子计算机加上液压伺服系统，使人们能够更准确地模拟实际载荷谱。许多 研究工作者还致力于用概率统计方法来处理疲劳数据，并将可靠性理论运用于疲 劳设计。最近二十年来，电子显微镜和扫描电镜使我们能够观察在疲劳载荷作用 下细微的组织结构的变化，从而扩展了深入了解疲劳机理的新视野。6 0 年代初期， 由于描述塑性应变幅和疲劳寿命关系的曼林一柯芬( m a n s o n - c o f f i n ) 公式的发表， 使低周疲劳的研究取得了突破，它是目前缺口应变疲劳分析的基础。6 0 年代末期， f 一1 1 1 飞机失事，以及其它美国空军飞机的疲劳破坏使断裂力学开始应用于飞机设 计。7 0 年代中期以来，断裂力学作为研究疲劳问题的重要工具已经受到广泛的重 视。 港口超重机金属结构有相当一部分由金属件焊接而成，因此焊接结构的疲劳 e 海海事大学工程硕l 学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 研究是相当重要的一一环，断裂力学方法是研究焊接结构疲劳问题较好的方法之一。 1 2 2 焊接结构疲劳研究的综述 从焊接结构的应用开始，人们就注意到焊接件和其它金属构件一样，应重视 构件的疲劳强度设计。二十年代，m o o r h f 等人就开始研究不同金属材料焊接构 件疲劳载荷下的试验方法，提出焊接件疲劳试验与金属一般疲劳试验有所差异， 不仅应研究焊缝处快速凝固的金属，还应注意焊缝两侧出由于金属的受热状念不 同，组织和性能不同而产生不同疲劳特性。但是由于当时检测手段不够完善，受 实验设备的局限，同时焊缝中含有的各类缺陷较多，实验数据的分散较大，规律 性差，因而理论的研究不够深入，对焊接结构的性能分析也不全面。与常规金属 疲劳理论的研究相比，无论在疲劳理论还是在试验手段方面都不得处于初始阶段， 没有新的突破和进展。 到了三十年代后，世界上各工业先进国家已经开始进行大规模制造焊接结构。 随着焊接结构在工程中的广泛应用特别是公路铁路桥梁，压力容器，船体结构， 起重机，机车等结构广泛采用焊接，由于当时缺乏设计和制造大型焊接结构的知 识和经验，疲劳设计规范亟需完善。 第二次世界大战期间，由于缺乏焊接结构强度与断裂的知识，以致相当多的 焊接结构出现破坏事故。这些事故促使科技人员对焊接结构的强度和断裂理论进 行调查和研究，人们采用十八世纪末期常规金属疲劳性能的研究方法和手段，测 定不同类型的焊接形式的s 一曲线以及它们的疲劳极限，以适应疲劳强度设计的 需要。在此期间，英、美、日研究的文章较多，主要研究的内容是针对性当时条 件下的焊接工艺、材料、焊剂等焊缝疲劳性能的影响。美国学者w i l s o nw m 等人 在此期间研究工作较多，通过试验他们认真研究了各类钢和各类接头焊后的疲劳 性能、板厚与焊接方法的关系，这些研究成果对焊接结构的疲劳强度设计具有一 定的指导意义。担鉴于当时焊接技术和工艺不够发达，无损探伤还不完善，对焊 接结构的冶金分析不够透彻，断裂力学还没有引入到焊接疲劳的领域，因而焊接 结构的疲劳设计还偏于保守，可靠性不高。 进入五十年代以后，焊接结构的强度研究由于断裂力学的引入出现了生机和 活力。研究表明几乎所有的焊接接头中，疲劳裂纹都明显地从预先存在的缺陷上 开始，存在的这些缺陷可以看作是一条已经开裂的裂纹。因此，绝大部分焊接结 构的全部疲劳寿命就是由裂纹生长阶段决定的。从五十年代开始，英国焊接研究 所学者g u r n e yt r 致力于焊接结构疲劳性能的研究，发表了众多论文。在大量试 4 卜海海事大学工程硕士学位论文集装箱装卸桥余属结构疲劳裂纹控制与管理 验的基础上，他认真分析和研究了不同钢材、不同焊接方法的结构的疲劳设计规 范，提出了疲劳条件下焊接缺陷的容限这一新概念。研究表明，所有的焊接接头 都有缺陷，这些缺陷的发现取决于所采取的无损检测方法的灵敏度，完全消除这 些缺陷是不必要的。研究的重点在于如何根据使用的合理要求确定不会引起结构 或接头过早破坏并始终保持原状态的缺陷，来作为容限的基础。缺陷容限的原则 是以s n 曲线分为不同的质量带。随着无损检测的发展和试件破坏性检验的增多， 必须作出缺陷是否大到影响结构的使用以致需要修复的程度的判断。研究表明， 可以采用断裂力学方法来定量评定缺陷的影响，即测定不同材料、不同经过的疲 劳裂纹扩展速率，依次评定缺陷的影响。 六十年代中期以后，随着近代焊接技术、冶金技术和电子计算机技术的发展， 焊接结构形式的不断变化和新材料的出现，焊接结构疲劳理论研究和设计方法有 了新的发展。随着断裂力学的广泛应用和工程实际的需要，七十年代末各国纷纷 修订疲劳设计规范，目前焊接结构疲劳试验及其理论研究正处于发展阶段。 焊接结构疲劳理论的研究，促进了工程结构的应用。美国1 9 6 7 年开始对公路 焊接桥梁进行了规模庞大的疲劳试验，取得了许多宝贵的数据，为疲劳数据理论 提供了依据。西德对起重机行走钢梁的不同焊接部位进行了随机载荷下的疲劳试 验，于1 9 7 9 年发表了试验结果。大型结构疲劳试验，在模型上能够真是反应实物 的制造工艺、构造细节、残余应力及应力集中等条件，试验的结果是有意义的， 但需要的试验机大而复杂，试验耗用的材料较多。因此，除少数大型结构疲劳试 验外，很多试验是根据结构的各个焊接接头形式或部件的构造细节，按设备的能 力做成试件试验。目前，各国在都根据自己生产使用的钢材和焊接工艺进行试验， 用其结果作为疲劳强度设计及计算的基础。 焊接缺陷如气孔、夹渣、咬肉、裂纹等，对疲劳寿命有一定影响。焊接结构 疲劳强度的研究正逐步由大结构向微细结构，由宏观向微观发展。 现行的各种焊接结构的疲劳设计规范，关于疲劳设计载荷的问题，通常以一 般设计载荷计算的应力作为疲劳验算的基础，要求在这个应力作用下，能满足一 定的循环次数。如我国铁路桥梁疲劳设计规范要求的应力循环次数均为2 0 0 万次。 但实际载荷作用在结构上时，由于跨度大小、结构细节、在结构上的位置等诸因 素的差异，每个结构细节中都会产生不同的应力谱，这些应力谱不但与设计载荷 计算的结果不符，就是与按实际载荷用用在结构上的计算结果也不完全一致。事 实上应对不同跨度的桥梁进行实际载荷的应力谱测定，把实测应力谱进行整理和 分析，得出应力密度分布曲线。用实际测定的应力分布来计算常幅设计应力需要 上海海事人学t 程硕h 学位论文集装箱袈卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 的循环次数，也可以用来估算老、旧桥梁的剩余寿命，对其它的焊接结构也应进 行类似的试验分析。在超重机设计领域和安全管理方面，研究和建立典型设备载 荷谱的工作尚有待进一步加强。 我国焊接结构的疲劳研究起步较晚，现在船舶、超重设备、建筑，特别是重 型机器等焊接结构的疲劳设计也丌始涉入这一领域，研究的重点是针对各类产品 建立设计规范。起重机焊接结构的疲劳研究开始较晚，最初主要采用桥架钢结构 少量的常规疲劳试验。1 9 8 3 年编制了我国自己的起重机设计规范，都是以典型的 焊接接头的疲劳试验为基础。在我国，除起重运输设备、桥梁以外，许多冶金、 矿山机械、船舶、水力发电设备等也广泛彩焊接结构。由于对焊缝处疲劳断裂失 效的规律及损伤机理没有完全弄清楚，因而疲劳失效时有发生。随着焊接结构的 广泛采用，焊接结构疲劳强度的研究工作有待拓宽和深入，疲劳断裂的机理也有 待深入地研究。 1 2 3 焊接结构疲劳强度与断裂力学评定 鉴于由微小裂纹扩展至某一裂纹长度而引起焊接构件过早破坏是当前一些著 作提出的重要现象，所以许多构件的疲劳强度设计往往以使用期间不允许产生裂 纹为限制条件。实际上，由于裂纹具有亚临界的扩展特性，并不是所有的裂纹都 是可怕的。对某些构件来说，可以允许它在一定裂纹长度下工作。因此，估算构 件临界裂纹尺寸以及剩余寿命是十分重要的。 工程中应用的疲劳寿命估算方法有两类：一类是常规疲劳强度计算方法对所 要了解的接头或细节试件进行试验，以求出其疲劳特征的s 一曲线，再根据s 一 曲线，应用线性疲劳累积损伤理论( 如m i n e r 定律) 在已知应力下，求出其破坏 所需的循环数。这种方法为名义应力法，它得到的结果是裂纹形成寿命。另一类 方法是研究破坏的发展，并且包括对裂纹扩展速率的测量。用局部应力一应变法估 算裂纹形成寿命，用断裂力学方法求裂纹扩展寿命，两者之和为总寿命。断裂力 学即是应用力学的方法来分析带裂纹体上已存在的裂纹或类裂纹缺陷的发展。 疲劳断裂过程可分为三个阶段：第一阶段形成一个初始裂纹；第二阶段包括 裂纹的连续扩展；第三阶段则为最后快速断裂。在焊接接头中，第一阶段通常已 客观存在，即焊缝及附近的母材上往往预先存在着各种隐形缺陷，存在的缺陷可 以看作一条已经开裂了的裂纹。因此，绝大部分焊接结构的全部疲劳寿命就是由 裂纹的扩展阶段决定的。所以，研究焊接结构的疲劳寿命主要是应用断裂力学的 方法研究疲劳裂纹的扩展寿命。 卜海海事大学工程硕士学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 重型机械结构由于承受的载荷大多是以低速重载为特征，当对机械的重量性 能比要求较苛刻时( 如塔式起重机，轮胎起重机等) ，为了使结构能承受这种重载， 往往采用高强度材料。对于传统疲劳强度设计方法而言，材料的强度超高，疲劳 极限就超高，疲劳寿命也就越长。但实际上，往往强度高的材料，其断裂韧性却 不一定高，因而如果按照传统的疲劳强度设计方法设计结构，就容易产生低应力 断裂事故。断裂力学疲劳强度计算方法依据疲劳裂纹扩展速率估计寿命，用累积 裂纹长度考虑累积损伤，可以给出设备金属结构的探伤检验要求及检验周期。 断裂力学方法缺陷评定的目的是确定已探测到的裂纹或缺陷( 包括其尺寸、 形状和位置) 在具有一定应力幅或载荷谱的疲劳载荷作用下能否扩展，以及若能 扩展，能否保证不断扩展的裂纹的尺寸在探伤间隔时间或整个工作时间内足够明 显地小于导致脆性断裂、整体屈服、失稳或开裂泄漏的临界尺寸。其中疲劳裂纹 扩展根据疲劳裂纹扩展速率公式计算，初始裂纹尺寸为探测到的裂纹长度，在未 探测到裂纹的情况下，可引入与无损探伤精度有关的包括一定安全系数的假设初 始裂纹长度。 现代金属结构正向大型化和轻型化方向发展，工作条件苛刻，而质量要求却 在提高。鉴于结构件在工程中的广泛采用，应注意下面几个方面问题：一是焊接 结构具有整体性而使其钢性增大，应力很难处于均匀状态，容易产生较大的应力 集中，并且应力集中的范围较广，应力集中区域容易产生裂纹。二是构件中的残 余应力的分布较难弄清，应力随裂纹扩展而变化的问题有待解决，特别是焊接结 构在随机载荷作用下疲劳裂纹扩展的问题很值得研究。三是无损检测手段的可靠 性，目前，无损检测技术虽然有了进展，并应用于生产，但各种方法均有局限性， 无论是失稳或裂纹检验虽有多种手段，但从经济、可靠、实用要求看，还没有增 加超声或电涡流，或着色处理等辅助手段，这种检测存在盲目性。四是可靠性理 论在结构疲劳强度研究的运用，由于疲劳破坏是非常复杂的现象，影响因素多， 危险点的应力具有某种概率分布的现象，采用确定性方法往往与实际情况相差很 远，客观的估计方法就是应用可靠性理论，将疲劳寿命作为随机变量进行失效概 率分析。 1 3 国内外结构疲劳分析领域的对比 美国、德国、法国和俄罗斯等国在这一领域的工作开展已久，并有多项科研 成果公布，在汽车、航空等工业中均有成功的应用。由于这些国家的经济水平高， 上海海事大学工程硕士学i t 论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制哼管理 科研基础好，整体水平比我国高。但到9 3 年9 月在一卜海召开的“第一届可靠性、 维修性和安全性国际年会”的情况看，国内外的研究对象、方法、手段大至相当， 我国在这一领域的研究，尤其是在理论的研究方面并不落后。国内的一些高校和 研究院所就诊断方法与控制技术开展了不少有益的研究，如对焊接裂纹预测及诊 断建立了知识库，并运用专家系统就焊接水电站高压岔管的裂纹进行了分析；对 混铁水车车轴用有限元法对其应力进行了分析，用m i n e r 线性积累损伤理论及蒙 特卡罗法对其疲劳寿命进行了预测；对叉车门架结构利用可靠性中的“应力强度 干涉理论”，通过对应立循环的等效变换及随机载荷历程的数据处理实现了门架的 疲劳强度的可靠性设计计算。综合国内国内外的发展情况，目前的研究对象大多 数是机械零件或机械传动件，研究手段从理论上讲多是用疲劳、振动、和可靠性 理论，在方法上是测试、数据分析与控制，然而对大型金属结构，尤其是受变载、 重载的港口起重机械金属结构的故障诊断、分析、维修及护理方面的研究尚未广 泛与深入开展，也未形成适合各港口机械特点的系统安全性检测、分析与评定方 法。 1 4 论文的主要研究工作 尽管对疲劳问题的研究自从进入大工业时代不久已受到工程界和科学界的重 视，众多的学者、工程师为探索其规律作出不懈的努力，但对材料疲劳的物理化 学本质至今还未完全弄清楚。随着现代化机械高速、重载的发展趋势和新材料的 采用，疲劳破坏仍然不断发生，这说明疲劳问题远远没有解决，仍然须进行广泛、 深入研究。 本文主要围绕金属结构疲劳寿命的研究，来确定一个符合集装箱装卸桥金属 结构疲劳裂纹的控制方法，主要的工作内容有： ( 1 ) 根据疲劳分析对应力数据的需求，对本公司的4 号集装箱装卸桥进行测 试，将获取得到的典型测点的应力情况作为结构安全管理分析的数据基础。 ( 2 ) 分析国内外疲劳问题的研究现状，在参考传统疲劳理论和现代疲劳理论 以及多种疲劳分析方法的基础上，确定适合于港机金属结构疲劳裂纹管理与控制 的理论方法，为疲劳裂纹分析模型的建立奠定基础。 ( 3 ) 建立以断裂力学和损伤力学为基础的疲劳裂纹分析控制模型，通过对结 构在实际作业应力水平下的力学性能，确定相应的设备管理办法，为设备的安全 管理提供决策支持。 卜海海事大学工程硕士学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹挡制与管理 第二章结构安全- 陛评价的基本方法 起重机金属结构的安全性评价主要包括常规检测与评价、疲劳强度检测与剩 余寿命估算两个方面的内容。对于这两个方面，一般人更关心后者，因为任一台 按常规方法设计并制造的起重机械，从理论上讲其结构应该自然满足规定工况下 的强度、刚度和稳定性的，而结构的疲劳强度储备，则是一个时域强度的标志， 它直接决定了起重机械还能继续工作时间的长短。而机械管理者往往只凭设备管 理的规定来理解机械的工作年限，缺乏对结构损伤及其寿命影响的系统知识，也 缺少对在役起重机械金属结构安全性检测、评价的规范。因此，研究并提出上述 安全性检测评价的基本依据、检测内容及其工作规程，对加强港口设备的科学管 理，有效地进行在役起重机特别是老龄机械的安全性评价是十分重要的。 常规安全性评价主要是指对起重机设备进行常规检测，并对检测的结果作出 评价。需要进行检测的指标包括构件静应力、动应力以及刚度状况，对于工作时 间已久的机型还应进行裂纹、变形、锈蚀的检测，构件之间连接状态的检查，以 及主要结构件重要截面处对接焊缝的探伤等。 2 1 结构应力的检测与评价 对结构件进行静、动应力检测，其实质是将超重机承受额定静载荷或工作状 态动载荷时测得构件危险截面的最大静应力和最大动应力与许用力进行比较。结 构的刚度包括静刚度与动刚度两种，静刚发要求结构受静载作用下的挠度或节点 位移与结构主尺度之比应符合超重机技术规范的要求；动刚度要求结构在动载荷 的激励下，结构振动频率应在某一合适的范围内。 2 1 1结构应力检测评价的必要性 如前所述，以静、动应力水平与结构刚度为标志的结构安全性，作为一定型 的合格产品应该是有充分保证的。那么，为什么仍将它作为起重机安全性评价的 首检项目昵? 其理由主要有以下四点： ( 1 ) 起重机设计阶段给出的安全储备( 安全系数) 本身包含着偏于危险或偏 于保守的不确定因素； ( 2 ) 产品制造过程中可能存在未被发现的影响结构承载能力的工艺缺陷( 如 上街海事大学t 程硕i 学位论文集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹挖制与管理 加筋板焊接不良，腹板波浪度超差等现象) ； ( 3 ) 对于中、老龄起重机械，因作业环境、工作繁忙程度及维护保养的不同， 会不同程度地出现结构锈蚀、变形、铰接点间隙增大、固接点螺栓或铆钉松动等 现象，并导致结构实际静、动应力增大，降低了结构刚度及承载能力； ( 4 ) 随着国际、国内现代港口起重机产品日趋激烈的竞争，各厂家的设计计 算手段越来越精确，结构重量往往被限制在满强度和刚度的边缘水平，一量设备 结构发生某种损伤或变化，起重机的安全性就有可能丧失。 2 1 2结构设计中的安全度问题 我们知道，结构设计的目的，是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗 能力加以比较，以达到结构设计得既安全又经济。结构计算方法经历了神种演变， 但归纳起来为两大类：第一类是在结构的正常使用条件下比较荷载效应与结构抗 力，在结构经常工作的j 下常范围内，以便外界影响消失后结构又得以恢复或接近 于初始状态。第二类设计方法则将结构置于极限状态下来进行分析，一方面找出 外界对结构的作用和结构达到极限状态下荷载对结构的效应，另一方面找出结构 达到各种极限状态，例如承载能力，变形，裂缝等极限状态时的抵抗能力，然后 再加以比较。无论是在正常使用状态，还是在极限状态设计结构，都要留有余地， 作为安全储备，应力检测是目的，就是为了检验是否还留有安全储备。我们熟知 的容许应力法和极限状态法即分属以上两种结构设计方法。 人们早已认识荷载和抗力存在着不定性，然而在设计计算中却用一个定值来 反映安全储备的大小。正是因为荷载和抗力都有着人们无法预料和控制的随机性， 所以在设计中才需要留有余地，但留有多大余地，长期以来只能凭经验估计。传 统的安全度定义是指在正常设计、施工和使用情况下，结构物对抵抗各种影响安 全的不利因素所必须的安全储备的大小。这个定义指出了结构所处的条件必须是 正常的，这里的各种不利因素，事实上是对不定性的承认。与结构安全度有关的 各种荷载效应与承载能力等参数，都并不是定值。按定值法规定的定值安全系数， 只不过是从工程经验和常识上对安全度的解释，而不是从定量的角度去规定或计 算的结构安全度。传统的起重机设计方法中，人为地规定几种工况，在各个工况 下进行荷载组合，将载荷组合后乘以一个经验规定的安全系数，当所得的值小于 材料的强度极限时认为是设计是正确的。然而结构的荷载与抗力，因各种因素的 影响，都是随时间或空间而变动的随机函数，不是经验所能全部确定的。也就是 说，安全储备是一个变化的量。因而，最后规定一个一定值的安全储备，实际上 1 0 上海海事大学工程钡卜学位论文 集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 将可能出现偏于危险或偏于安全的情况。 2 1 3结构应力检测的程序 起重机的结构静、动应力及刚度的检测基本程序为： 1 确定检测构件和检测部位 按机种不同，结合设计计算书的有关应力数据及实际使用经验( 包括同类设 备已出现类似损伤的情况) ，确定必须检测的构件，应力测试问倒通常取为构件的 高应力区、应力集中区。结构刚度则由主梁跨中、悬臂外端、门型框架的顶端等 部位在额定静载下的位移量与基本尺度的比值决定。 2 确定静应力测试和动应力测试的工况 静应力测试包括额定载荷加载试验和超载试验，对吊钩起重机超载2 5 ，对 于抓斗和集装箱起重机超载4 0 。水平静载荷测试时，按额定载荷的5 1 0 加 载于臂架或桥梁主梁跨中处，其作用方向分别是：垂直于臂架平面、平行于桥梁 主梁方向。动应力测试时，吊钩起重机用额定的1 1 0 进行试验，抓斗和集装箱起 重机为1 2 0 。 测试的工况应包括起重机实际作业中可能出现的各种典型工作位置下的额定 载荷及超载工作情况，在j t 5 0 2 4 - - 8 9 “港口起重机金属结构静载及动载试验方法” 中，有详细说明。 对于老龄或超期服役设备，应根据其金属结构完好状态决定是否作静、动态 超载试验。 3测试 按规定工况逐项进行静应力、静刚度( 位移量) 及动应力测试。 2 1 4结构应力及静刚度评价标准 1 应力评定依据 设d 为金属结构中第i 个构件在额定载荷作用下的最大最大应力，则定义 该构件的工作安全度为： r1 k 。：丝 ( 2 1 ) 式中：b l = 惫 1 1 卜海海事大学工程硕士学位论文 集装箱装卸桥金属结构疲劳裂纹控制与管理 设一一为金属结构中第j 构件在静、动态超载试验中的最大应力，则定义该 构件的超载安全度为： ( 2 2 ) 式中：b k2 惫 k 。和k 。，表示构件i 的抗力相对于所承受载荷的安全富裕程度，可用a 、b 、 c 、d 共四个等级加以评价，如下表所示： 表2 1金属结构强度的安全度评价指标 安全等级 abcd k “、k d ( 取小值) 1 5 1 5 1 2 51 2 5 1 0 【g 】 不合格 式中【g 卜- 一许用静刚度 桥式类型起重机与悬臂的装卸桥的许用静刚度【g 】见下表： 表2 2 起重机金属结构的许用静刚度i g 】 机型门式、桥式类型( 跨中)装卸桥( 悬臂端部) 上作级别a 5 及以卜-a 6a 7 、a 8 a 1 一a 8 【g 】 1 7 0 0 1 8 0 01 门0 0 01 3 5 0 关于动刚度检测，目前尚无相应的技术标准可以借鉴，当被检设备所属单位提 出该方面检测要求时，可进行专项测试分析。 卜海海事大学工程顺士学位论文 集装箱装卸桥余属结构疲劳