（机械设计及理论专业论文）岸边集装箱起重机剩余寿命及其损伤形式的研究.pdf

摘要 岸边集装箱桥式起重机( 简称岸桥) 是我国重工业运输环节中必不可少的 工艺装备，作为提高装卸作业生产能力的大型起重运输设备，岸桥被广泛用于 船厂和港口。目前我国港口有许多由6 0 年代至7 0 年代我国自行设计制造或从 国外进口的二手岸桥，受当时条件限制设计上存在着问题，如没有按疲劳强度 来设计等，所以在使用多年之后，已经进入服役后期或超期服役阶段的起重机 对安全生产构成了潜在的威胁。由于岸边集装箱起重机价格昂贵、港口具体条 件和设备更新费用的限制，用户总是希望尽量延长其使用寿命。本文以此问题 为研究对象并加以讨论。 本文以岸边集装箱起重机为研究对象，基于现代疲劳分析理论，利用有限元 分析软件，参考b s 5 4 0 0 疲劳算法，并对整机运行进行数值仿真，对岸桥金属结 构进行强度、疲劳和剩余寿命分析，并对岸桥在服役后期易出现的损伤形式进行 了一定的研究，具体工作如下： 1 ) 用a n s y s 的内部命令建立岸桥金属结构有限元模型，这是最为基础也是 至关重要的一个环节； 2 ) 分析结构的强度，以确定裂纹的产生以及构件的断裂并不是由于结构的强 度不够而产生的； 3 ) 确定疲劳载荷以及疲劳分析方法，并对岸桥的疲劳强度进行分析； 4 ) 分析疲劳计算结果。以计算出来的疲劳数据为基础，总结出易出现疲劳破 坏位置，为剩余寿命的估算打下基础。 5 ) 确定计算裂纹扩展速度的方法，对岸桥剩余寿命进行估算。 6 ) 对岸桥的各种损伤形式进行研究并给出评价方法。 关键词：岸边集装箱起重机，金属结构，疲劳，裂纹，损伤 a b s t r a c t q u a y s d ec o n t a i n e rc 渤ei sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yt e c h n i c a le q u i p m e n ti nh e a v y i n d u s t r yt r a n s p o r t a t i o n i no u rc o u n t r y a sa l a r g el i f t i n gc o n v e y i n ge q u i p m e n tt o i m p r o v e t h e t h r o u g h p u to fl o a d i n g a n du n l o a d i n g , q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ei s w i d e s p r e a du s e di nd o c k y a r da n dp o r t a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yq u a y s i d ec o n t a i n e r c r a n ei no u rc o u n t r yp o r t s ，w h i c ha r ed e s i g n e db yo u r s e l fo rb o u g h tf r o mt h ea b r o a di n s i x t i e st os e v e v t i e s s o ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h ed e s i g no fq u a y s i d ec o n t a i n e r c r a n eb yt h er e s t r i c t i o no ft h ed e s i g np r o c e d u r e s ，s u c ha st h e s ec r a n e sw e r en o tc h e c k e d t h ef a t i g u es t r e n g t h t h ec r a n e sp o s e dt h el a t e n tt h r e a tt ot h es a f e t yi np r o d u c t i o nw h e n t h e ye n t e rt h es e r v i c el a t e rp e r i o do rt h ee x t e n d e da c t i v ed u t y b e c a u s et h ec r a n ec o s t e x p e n s i v ea n dt h el i m i to ft h ee q u i p m e n tr e p l a c e m e n tc o s t ，t h eu s e ra l w a y sh o p e dt o l e n g l h e ni t ss e r v i c el i f ea sf a ra sp o s s i b l e t h i sp a p e rt a k e st h eq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ea sr e s e a c ho b j e c t ，b a s e do nt h e t h e o r yo ft h em o d e mf a t i g u ea n a l y s i s ；s i m u l a t e dt h ec o n t a i n e rc r a n e ss t r u c t u r eb y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，r e f e rt ot h eb s 5 4 0 0c o d eo f p r a c t i c ef o rf a t i g u e ，a n a l y s i st h em e t a ls t r u c t u r e ss t r e n g t h ，f a t i g u e ，r e s i d u a ll i f ea n d i n j u r y , p r o v i d e de f f e c t i v e m e t h o d st os o l v ee n g i n e e r i n gp r a c t i c en e e d s t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf e l l o w s ： 1 ) t ob u i l dac r a n e sf e m m o d e lb yu s i n ga n s y si n t e r n a lc o m m a n d t h i si st h e m o s tb a s i ca n di m p o r t a n ts t e po ft h et e x t ； 2 ) a n a l y s i s t h es t r e n g t ho fs t r u c t u r e ； 3 ) c o n f i r mt h el o a d sa n dm e t h o do ff a t i g u ec a l c u l a t i o nt h e nc h e c ki t ； 4 ) t oa n a l y z et h ef a t i g u ec a l c u l a t i o no ft h ec r a n e ，s u m m a r i z e st h ep o s i t i o n sw h e r e a r ee a s i l yt o a p p e a rt h ef a t i g u ef a i l u r e ，b u i l d st h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s i d u a ll i f e c a l c u l a t i o n ； 5 ) c o n f i r mt h em e t h o do fc o m p u t a t i o nf r a c t u r eg r o w t hs p e e d ，a n de s t i m a t et h e r e s i d u a ll i f eo ft h ec r a n e ； 6 ) g i v et h ea s s e s s m e n tm e t h o do ft h ec r a n e si n j u r y ； k e y w o r d s ：q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e ，m e t a ls t r u c t u r e ，f a t i g u e ，c r a c k ，i n j u r y h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：旖鸯1 7 1j 朝：盖弓l 么 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j 丕盘立导师( 签名) ： r 期：芈 第1 章绪论 1 1 岸边集装箱起重机剩余寿命研究的目的和意义 1 1 1 岸边集装箱起重机的发展概况 岸边集装箱桥式起重机( 简称岸桥) 是集装箱船与码头前沿之间装卸集装箱 的主要设备。个别码头还利用岸桥的大跨距和大后伸距直接进行堆场作业。岸 桥的装卸能力和速度直接决定码头作业生产率，因此岸桥是港口集装箱装卸的 主力设备。岸桥伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步而在不断 更新换代，科技含量越来越高，正朝着大型化、高速化、自动化和智能化，以 及高可靠性、长寿命、低能耗、环保型方向发展1 3 j 。 1 ) 国内起重机的发展 国内起重机制造行业的真正形成是在1 9 4 9 年后，从开始创业至今，国内起 重机发展大致具有以下三大特点： ( 1 ) 改进起重机的结构，减轻自重 国内起重机结构多已采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和减 轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。 ( 2 ) 充分吸收利用国外先进技术 随着技术的进步，越来越多的先进技术应用于起重机，如岸桥大小车运行 机构采用了德国d e m a n g 公司的“三合一”驱动装置，吊挂于端梁内侧，不受主梁 下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能和寿命。电气控制方面吸收国外的 先进技术，采用新颖的节能调速系统。遥控起重机的需要量随着生产发展也越 来越大，宝钢在考察国外钢厂起重机后，提出大力发展遥控起重机的建议，以 提高安全性，减少劳动力。 ( 3 ) 向大型化发展 随着集装箱深水码头数量的不断增加，对集装箱港口装卸工艺和集装箱装 卸技术装备提出了更新更高的要求，岸桥正朝着大型化，其机型尺寸参数化， 如今最大外伸距可达6 5 m ，最大起升高度可达4 0 m ，岸桥的自重也达到1 6 0 0 t 。 武逯堡王太堂亟堂焦途塞 2 ) 国外起重机的发展 国外起重机发展大致有以下四大特点： ( 1 ) 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本 法国p a t a i n 公司采用了一种以板材为基础构件的小车架结构，其重量轻， 加工方便，适用于中、小吨位的起重机。大小车运行机构采用三合一驱动装置， 结构比较紧凑，自重较轻，简化了总体布置。 ( 2 ) 更新零部件，提高整机性能 法国p a t a i n 公司采用窄偏轨箱型梁作主梁，其高宽比为3 5 - 4 左右，大筋 板间距为梁高的3 倍，一般不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式， 使垂直力直接作用于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。 ( 3 ) 设备大型化 随着世界经济的发展，起重机的体积和重量越来越趋于大型化，起重量和 吊运速度也有所增大，为节省生产和使用费用，起重机服务场地和使用范围也 随之增大。 ( 4 ) 机械化运输系统的组合应用 国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重机、运输机械有机 的结合在一起，构成先进的机械化运输系统。 1 1 2 岸边集装箱起重机结构设计的现状与面临的挑战 2 1 世纪，中国集装箱港口的发展重点是建立国际集装箱枢纽港，与外贸海 运量关联最密切的集装箱运输将得到迅速发展，因此我国成为世界集装箱运输 的最大的潜在市场，集装箱运输迅速发展成为必然趋势，岸边集装箱起重机作 为集装箱的主要装卸工具也将不断改进和发展。此外，集装箱运输船舶的大型 化、特别是超巴拿马船型的发展，对岸边集装箱起重机提出了更新更高的要求： 一是提高起重机的技术参数，起重机速度参数高速化，外伸距、起升高度增大； 吊具下额定起重量提高；二是开发设计高效率的岸边集装箱装卸系统，以满足 船舶大型化对起重机生产率的要求。 1 ) 高参数和大型化 ( 1 ) 额定起重量成倍增长。吊具下的额定起重量逐步从3 0 5 t 增大到6 1 t ， 最大已达6 5 t 。 2 武这理王太堂亟堂僮论塞 ( 2 ) 外伸距越来越大。随着集装箱船的不断大型化，岸桥的外伸距也由3 2 m 逐渐增大到了现在的6 5 m ，以适应2 4 排的所谓马六甲型船的需要。 ( 3 ) 轨上的起升高度。巴拿马岸桥的轨上起升高度通常为2 7 m 以下，超巴 拿马岸桥在2 7 m - - 3 6 m 之间，而现在则要求达到4 0 m 。 ( 4 ) 自重越来越大。岸桥的自重，已从常规巴拿马型的6 0 0 - - - 8 0 0 t ，增大 到现在超巴拿马型的1 2 0 0 - - 2 0 0 0 t 。 2 ) 高速化 ( 1 ) 起升速度从巴拿马型岸桥的5 0 1 2 0 m r a i n ，增加到现在的9 0 2 0 0m m i n ，电动机的功率已经大到6 9 0k w x 2 ，若选为交流电机，则是目前起重用 变频电动机的最大规格了，正逼迫电动机供货商研制开发更大容量的电动机。 ( 2 ) 小车速度已从常规巴拿马型的1 2 0 m m i n 增加到现在的2 4 0 m r a i n ， 并正在向3 0 0 - 3 5 0 m m i n 的速度发展。 ( 3 ) 双箱吊具作业。据统计，一船集装箱中约6 0 以上是2 0 箱。双箱作 业新型吊具的应用，每次能同时装卸2 个2 0 的集装箱，效率平均提高2 5 以上。 ( 4 ) 双小车双箱吊具作业。它是在现代高技术基础上的双小车系统，该系 统采用前后两个小车。前一个小车有司机操作，承担船与转接平台之间的集装 箱搬运；后小车无司机，完全自动地实现集装箱在转接平台与a g v 系统( 自动 拖运架) 之间的搬运，转接平台设在岸桥上距船最近的海侧下横梁上。因此，效 率大为提高，理论上可达5 5 至6 0 个循环，折合8 0 - - 1 0 0 t e u h 。 1 1 3 课题研究的目的和意义 岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，岸边集装 箱起重机作为港口码头重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平。起 重机结构设计的基本目的，就是通过合理配置，在成本控制条件下，使结构在 预定的使用期限内，具备预定的功能。同时由于起重机结构的失效会造成生命 和财产损失。因此结构在起重机的设计和使用过程中一直受到人们的重视。随 着社会生产力的提高，大型运输船只不断涌现，码头起重机势必朝着大型化、 专业化方向发展，设备的大型化之后就会带来设备经济性和安全性等问题，其 中安全性尤其至关重要，出现安全事故小则造成经济损失，大则出现人员伤亡， 可以说像起重机这类大型设备的安全用关乎国计民生。 在岸边集装箱起重机中，结构件的费用要占整机的很大部分，目前一台集 3 武逯堡工太堂亟堂僮论塞 装箱起重机的报价达几千万人民币，用户总希望延长其使用寿命。因此这类设 备使用过程中的可靠性评估和维护保养必不可少，没有可靠性评估的指导，如 果偏于安全的考虑，可能昂贵的设备还可以继续使用，就被人为报废了，造成 经济上的损失，相反如果从降低成本方面考虑，凭着直观感觉继续使用超期服 役的设备，又有可能会出现灾难性事故。随着我国经济的高速发展，越来越多 的岸边集装箱起重机投入使用，同时我国沿海和内河港口拥有大量的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，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，这些己经进入服役后期或超期服役阶段的 起重机对安全生产构成了潜在的威胁。由于岸边集装箱起重机价格昂贵，用户 总是希望尽量延长其使用寿命，特别是现在使用中的岸边集装箱起重机受当时 条件限制设计上存在着问题，如没有按疲劳强度来设计等，所以在使用多年之 后，在设备管理上就有了进行结构可靠性评估的迫切性。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。 1 2 结构数值仿真技术的发展现状和趋势 由计算机带来当代技术革命的巨大意义，在于它继实验方法、理论方法之 后，引进了第三种科学手段计算。而科学计算的意义则在于：可以模拟客 观物理世界的过程，部分取代实验或作为实验的补充，检验理论的模型，进行 预测、模拟在实际中无法重复或进行实验的自然现象或社会现象；利用”数值实 验”发现新的规律，并指导工业生产进行产品分析与设计；对那些精确性尚不够， 数学模型尚未定型的问题，利用数值模拟可以进行多个方案的模拟计算和对比 筛选，从而对科学定量化起到了重要作用。自6 0 年代后期以来，电子计算机的 持续高速发展和各种数值方法特别是有限元方法的发展，促进科学研究方法的 变革，即从理论和试验的两极转变为理论、试验和计算三极。人们可能利用数 值分析方法，根据精确试验得出的材料本构关系和调查得到的载荷随机过程， 对各种结构进行分析，并可能结合成熟的数值图形显示技术与图像技术，进行 4 武迅理王太堂亟堂僮论塞 试验过程的数值模拟与仿真。仿真技术的优点在于它不受空间尺寸和时间长短 的限制，可以提供人们有关结构行为的各种数据和图形( 其中有些数据在试验 中由于量测手段等局限性无法获得) ，省去了人们大量的人力物力和时间，还甚 至可代替一些无法进行的现场试验；另一方面，数值计算和仿真技术可使结构 的重分析和再设计易于实现。 数值计算已经和理论、试验一样成为科学技术领域中强有力的方法。数值计 算、理论和试验之间相互促进，相互渗透并相互制约。理论对数值计算的发展是 必不可少的，精细的数值计算对理论和试验提出了愈来愈高的要求。通过试验，又 可发现新现象，促进理论的发展。理论和数值计算对试验有着重要的指导作用。 理论方法和数值方法的结合形成了一些新的结构分析方法，如边界元法、有限元 法、半解析法和群论方法，而工程界常用的半经验半理论公式则是理论方法和试 验方法结合的最生动的实例。就目前材料本构关系研究而言，理论上微观力学、 断裂力学和损伤力学等的介入使研究的广度和深度有了很大提高，而利用计算机 模拟材料的微观结构、分析微观结构的模型和参数正在成为探索材料各种力学现 象机理和本构关系的一种手段，试验则是了解材料基本性能和确定本构关系参数 的基本手段。 1 3 课题研究内容 本论文以岸边集装箱起重机结构为研究对象，以有限元法，断裂力学和疲劳强 度理论为理论基础，运用有限元软件，对岸边集装箱起重机结构的静、动态特 性进行数值仿真，疲劳剩余寿命分析，并对岸桥的各种损伤形式做出相应的评价。 具体工作如下： 1 ) 用有限元软件建立门机金属结构有限元模型，这是最为基础也是至关重要 的一个环节： 2 ) 分析结构的强度，以确定裂纹的产生以及构件的断裂并不是由于结构的强 度不够而产生的； 3 ) 确定疲劳分析方法并且分析疲劳计算结果，总结出易出现疲劳的位置： 4 ) 运用断裂理论进行剩余寿命的分析； 5 ) 对常见的损伤形式进行评价并给出相关建议来指导岸桥的使用和管理； 5 2 1 概论 第2 章金属结构剩余寿命评估方法 结构设计思想和方法的发展过程，是不断吸收和应用自然科学中的新思想、 新理论、新方法、新材料，结合结构自身特点而逐步发展和完善的过程，随着 社会的发展，各种结构设计理论的成熟和设计方法不断的完善和创新。随着疲 劳研究的深入以及相关理论的逐渐成熟，金属结构设计准则由最开始的强度设 计准则慢慢的改为疲劳破坏设计。结构设计中发展的各个阶段，可通过图2 1 作 出粗略形象说明。 以估算工作中裂纹扩展至临界 尺寸的速率为基础的损伤容限法 图2 - 1 结构设计的发展和演化 如果一台起重机金属结构具有安全，适用和耐久这些性能，人们就认为它 具备可靠性。可靠性可定义为：在规定的条件下和规定的时间内，完成预定功能 的能力。其中规定条件指：正常设计、正常生产和正常使用；规定时间则是指：金 6 武逯理王太堂亟堂僮论室 属结构的设计寿命。但是金属结构的使用期限超过其设计寿命后，并不意味着 这金属结构就会立即失效，而只是其失效概率将比预期值增大。疲劳破坏在现 实中屡见不鲜，传统的“安全寿命设计”要求结构在一定的使用期间内不产生疲劳 裂纹，并以裂纹确定作为寿命的终结，而未计及裂纹扩展寿命。早在1 9 6 6 年 m a n s o n 就提出了“双线性损伤法则在累计疲劳上的应用”将疲劳过程分为两个阶 段裂纹形成和裂纹扩展阶段。1 9 7 7 年d u g g a n 等人先后对疲劳寿命赋予更明确 的含义：实际构件在出现某一指定“工程裂纹”以前的寿命称为“裂纹形成寿 命”( c r a c kf o r m a t i o nl i 妫，从工程裂纹扩展至临界裂纹或完全断裂的寿命称为 “裂纹扩展寿命”( c r a c kp r o p a g a t i o nl i f e ) ，总寿命是两者之和。 将断裂力学理论应用于结构设计即损伤容限设计，使结构设计进入一 个发展的新阶段，按照这种设计原则，在结构使用期间内允许存在初始缺陷或 出现疲劳裂纹，但必须保证裂纹扩展速率较慢，使含裂纹结构有足够的剩余寿 命和剩余强度持续工作，直到下次检修时能够发现并予以修复或更换，不致由 于裂纹增长对强度削弱过多造成事故。疲劳过程的两阶段论，促进了安全寿命 设计和损伤容限设计互为补充，互为发展的趋势。 对于起重机金属结构中的焊接件而言，由于焊缝本身就存在裂纹或各种缺 陷，带有缺陷的构件，在交变载荷作用下，缺陷会逐渐扩展，直至构件发生断 裂，因而绝大部分焊接结构的全部疲劳寿命是由裂纹扩展阶段决定的。断裂力 学在承认构件的表面或内部存在裂纹的基础上，在材料的力学性能、构件的几 何尺寸、载荷之间建立裂纹扩展的定量关系，从而推断焊接构件的抗断裂能力。 故损伤容限设计对于求解含裂纹体或焊接结构的剩余疲劳寿命是十分适用的。 2 2 常见的剩余寿命评估方法 疲劳破坏是工程结构最主要的失效形式，因而工程材料结构的疲劳可靠性 及剩余寿命分析一直以来都是力学、材料学和工程上深入研究的问题对于固体 疲劳损伤行为的基本机理至今尚缺乏理性模型来说明累积塑性变形与疲劳断裂 行为的关系，工程上往往依靠大量收集试验数据和建立经验公式来解决实际问 题，缺乏科学的理论指导准则 疲劳寿命估算目前有多种方法，按照裂纹扩展阶段的划分可以分为疲劳裂 纹萌生寿命估算和疲劳裂纹扩展寿命估算两类。在应力测试中，实测的应力( 应 7 武邋理王太堂亟堂僮论塞 变) 是指缺口试件的载荷被试件的净面积所除得到的应力值，以此为前提进行寿 命估算的方法称为名义应力法。然而，由于构件的几何尺寸、应力集中、表面 加工状态等因素的影响，名义应力与危险部位的局部应力相差很大，有可能局 部应力与应变不是线性关系，这时应力可能超过材料的屈服极限而进入塑性区， 此时造成疲劳损伤的关键是局部应力应变，因此出现了基于局部应力应变的疲 劳寿命估算方法，即局部应力应变法。近期多年来的许多试验表明：影响疲劳强 度的主要因素是由动载( 包括冲击力) 所引起的应力幅和结构构造细节、应力循环 次数。这一观点是从1 9 6 7 年起在美国开始的一个大规模疲劳试验研究工作中首 先得出的，由此引出了应力幅法。另外，损伤容限设计的观点认为裂纹具有亚 临界的扩展特性，并不是所有裂纹都是可怕的，对于某些构件来说，可以允许 它在一定裂纹长度下工作。基于这种认识，结合断裂力学出现了研究疲劳裂纹 扩展寿命的损伤容限法。另外，利用基于热力学的非线性连续疲劳损伤理论， 考虑应力幅带来的非线性累积效应，理论上探索了金属电阻变化率与疲劳寿命 的关系，提出了用电阻变化率进行疲劳损伤剩余寿命分析的模型，并通过电阻 变化测定实验，验证了理论模型，为金属疲劳剩余寿命的预测提出一种理论模 型和新的实践方法 目前剩余寿命评估方法很多，但剩余寿命的估算常分为常幅疲劳寿命和变 幅疲劳寿命两种。工程中经常出现的是变幅疲劳破坏。而对于变幅疲劳寿命估 算较成熟的方法是名义应力法。该方法实际上是一种传统的安全疲劳寿命估算 法。一般来说，构件的实际破坏往往是从结构内部或表而具有应力集中的缺陷 部位开始的。从理论上讲，应该用缺陷部位的局部应力来进行结构的疲劳寿命 估算。但是这样做有较大实际困难，因为缺陷往往是随机分布的，缺陷的尺寸 和部位对各种结构也是变化的，再加上残余应力的作用，使问题变得十分复杂。 因此，在进行损伤计算和寿命估算时，不可能对每一缺陷部位的应力或应力水 平都进行理论分析和实际测量，而采用名义应力法去估算剩余疲劳寿命不失为 一种可行的方法。用名义应力法估算剩余疲劳寿命的步骤为： 1 ) 确定结构中的危险部位 通常主要根据应力测量：应力分析和使用中破坏情况的统计资料来确定结构 中的危险部位。 2 ) 确定疲劳载荷谱 金属结构疲劳载荷谱通常是根据实测得到然后通过峰值法和雨流法对其进 8 武这堡王盍堂亟堂僮论塞 行循环计数统计。 3 ) 利用钢结构设计规范要求求出相应的s n 曲线 4 ) 由m i n e r 理论计算结构损伤值。根据线性累积损伤理论，求出累积损伤 比之和。 5 ) 估算剩余寿命。由累积损伤比之和的倒数可算出总循环次数，将总循环 次数减去已实际使用的循环次数，即可得剩余寿命次数。 2 2 1 大型起重机剩余寿命评估的方法 由于影响金属疲劳的因素复杂，准确预计起重机金属结构剩余疲劳寿命的 工作比较困难。目前国内外在解决该问题时采用的方法可分为两大类：一类是 基于现场检测的方法，另一类是基于理论分析的方法【矧。 1 ) 基于现场检测的方法包括：结构无损伤监测法和涂漆法。 其中结构无损伤监测法包括超声波探伤法、红外线检测法、光纤测试法。 ( 1 ) 超声波探伤法 超声波探伤法是根据超声波原理，利用金属结构对超声波的反射，检测金 属结构件对超声波的反射信号，通过其判断金属结构件内部的裂纹程度，从而 预测金属结构的剩余疲劳寿命。 ( 2 ) 红外线检测法 红外线检测法是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料的状况。通 过对材料中疲劳裂纹的检测后，计算出裂纹对材料疲劳寿命的影响。 ( 3 ) 光纤测试法 它是将光纤或集成光纤束预制带，粘贴到被测件上，检测结构受疲劳应力 作用后参数的变化，再利用计算机采集和分析和预测结构的剩余疲劳寿命。 ( 4 ) 涂漆法 美国等国家正在研究一种特殊用途的“油漆”，将该种油漆涂在需要测试的构 件表面。在构件受疲劳作用力后，油漆表面将发生变形，然后用特殊仪器来测 试其变化量，由此得出该构件的剩余疲劳寿命。 2 ) 基于理论分析的方法包括计算机仿真估算法、断裂力学估算法、疲劳分 析估算法和反向推算法。 ( 1 ) 计算机仿真估算法 采用人工神经网络描述疲劳损伤过程中材料的性能变化，实际上，载荷对 o 武逯堡王太堂亟堂僮论窒 材料的作用是连续的，但为了确定损伤的状态，把连续载荷离散为循环载荷序 列，将疲劳过程本身描述为材料状态的变迁，构成离散事件仿真系统。系统按 循环载荷时间历程推进，每作用一个载荷循环，材料状态发生一次变迁，直到 材料的损伤达到临界值时材料失效，仿真结束。由此来估算结构剩余疲劳寿命。 ( 2 ) 断裂力学估算法 断裂力学理论是研究具有初始缺陷的材料的使用寿命的有力工具。该理论 基于金属材料本身存在的冶金缺陷以及金属结构在焊接过程中产生的气孔、夹 渣和焊接裂纹等焊接缺陷这一事实，结合现代的无损伤检测技术，定量计入初 始缺陷对疲劳寿命的影响，以裂纹的尺寸大小和裂纹的扩展速度作为结构损伤 大小的依据来判定金属结构的剩余疲劳寿命。 ( 3 ) 疲劳分析估算法 这是一种常用的疲劳寿命分析方法，它是从材料的s n 曲线出发，考虑各 种影响系数，得出构件的s n 曲线，结合实测应力谱，按照线性累积损伤理论 即m i n e r 理论及其派生出来的寿命估算式进行估算，再结合起重机的结构状态进 行综合分析，估算出起重机的安全使用寿命，其步骤为： 第一，用雨流计数法统计出应力时间历程中包括的应力循环数并拟合出其 统计分布规律； 第二，按照一定的载荷谱和相应的疲劳寿命曲线，计算各级载荷的损伤值 第三，以m i n e r 线性累计损伤理论计算综合载荷造成的总损伤值； 第四，以总损伤值为产生裂纹的准则，计算裂纹的形成和扩展的时间，以 此估算金属结构的剩余疲劳寿命。 ( 4 ) 反向推算法 起重机设计规范中，起重机的疲劳强度计算公式，当结构件( 或连接件) 承受正应力时，应满足p l s bj ；当结构件( 或连接件) 承受剪应力时，应满足 卜一 s k 】；当同时承受正应力和剪应力时，应满足： ( 饧) - + ( 诗) 一瓦o x m a x y 叮yr r m x + ( 专卜1 珏。 仃一、为起重机设计规范规定的载荷组合i 所给定的疲劳计算点上 绝对值的最大应力。i ，l 、ki 为疲劳许用应力。其数值取决于结构工作级别、 结构件材料种类、应力集中等级和应力循环特性。 由于起重机的疲劳寿命估算值可由起重机的利用等级反推获得，故可利用 1 0 武逯堡王太堂亟堂僮途塞 起重机设计规范的疲劳计算过程，反向推算出起重机金属结构的剩余疲劳寿命 的估算值。在目前起重机反向推算法中，有以下几种推算方法： 载荷状态法 载荷状态法是通过起重机工作的频繁程度和强度，确定载荷谱系数，结合 起重机工作级别，确定起重机的许用工作循环次数。它与实际工作循环次数之 差，即是起重机的剩余工作寿命。 应力状态法 应力状态法是通过起重机的结构应力状态来评估起重机结构的工作寿命。 根据计算方式不同分为两种方法。一种是通过起重机结构应力来确定应力谱系 数，结合工作级别确定结构的利用等级，与载荷状态法类同。另一种是依据疲 劳累积损伤原理，根据实际应力状态来确定结构工作寿命。通过实际的载荷组 合历史记录，计算相应的结构应力，从而求出这种载荷组合下的许用工作循环 次数，如果结构有缺陷，要考虑缺陷对工作循环次数的影响。 2 2 2 大型起重机剩余寿命评估的发展和研究趋向 大型起重机剩余寿命评估的发展趋势是利用计算机的虚拟技术，通过对实 测数据的处理，建立起重机结构件的专家系统，评定起重机的疲劳剩余寿命和 其余的技术指标，进而研究起重机结构的设计、制造和技术改造等的人工智能 系统。另外，起重机剩余寿命评估研究的发展又提出了以下新的要求； 提高起重机寿命评估的可靠性。 提高起重机寿命评估的实时性，即能够随时知道起重机的剩余寿命。 由于影响金属疲劳的因素复杂，预计其剩余寿命工作困难。因此，理论上侧重 研究更适合系统的概率失效模型，改进目前计算断裂概率方法，进一步研究计算 可靠度的方法；研究影响系统的敏感性参数，特别研究对系统的参数敏感性分析 方法，从而系统有效地处理其敏感性指标。试验上侧重研究选择适合于工程的起 重机实际测量方法，找到应用实际的判断依据，从而正确地估计评价其寿命。 国内外对于起重机疲劳剩余寿命估算有不少的理论研究，提出了一些疲劳 损伤和疲劳剩余寿命估算的新方法。但各种方法大都停留在理论层而，并且很 少与实际应用相结合；一些方法仅仅是针对具体某台起重机适用，不适用于其他 起重机的疲劳剩余寿命估算，具有很大的局限性。目前，国内有些院校己开展 了部分大型港口起重机金属结构剩余疲劳寿命的测试工作，主要采用的方法有 武逯理王太堂亟堂僮论塞 两种：一种是采用将断裂力学应用于疲劳分析的损伤容限法，其具体步骤为： 1 ) 根据应力测试结果，以超过界限应力的地方作为疲劳寿命计算点。 2 ) 根据计算点的实测应力计算临界裂纹尺寸。 3 ) 根据裂纹扩展机理，给出裂纹模式。 4 ) 计算各疲劳裂纹计算点的裂纹扩展寿命。 5 ) 根据计算结果，结合具体情况，确定安全巡检周期。 另一种是采用以疲劳强度理论为基础的名义应力法，其具体步骤是： ( 1 ) 确定结构中的危险部位。通常主要根据应力测量、应力分析和使用中 破坏情况的统计资料来确定结构中的危险部位。 ( 2 ) 确定疲劳载荷。金属结构疲劳载荷通常根据实测得到，然后通过峰值 法和雨流法对其进行循环统计。 ( 3 ) 利用钢结构设计规范要求，求出相应的s n 曲线，则有 崛州馏 亿2 ， q 为预期寿命内应力幅，为相应循环次数，c 、声为构件连接类别常数。 4 ) 由m i n e r 理论计算结构损伤值。根据线性累积损伤理论，求出累积损伤 5 ) 估算剩余寿命。由累积损伤之和的倒数可算出总循环次数，将总循环次 数减去已实际使用的循环次数即可得剩余循环次数。 6 ) 根据起重机的工作状况，给出安全巡检周期。 总之，在起重机金属结构剩余疲劳寿命的测试工作中，具体适宜采用哪一 种方法，还有待于实践的积累和进一步的探索。 2 3 金属结构剩余寿命评估方法发展和研究趋势 纵观金属结构剩余疲劳寿命的估算方法，其中超声波探伤法、红外线检测 法、光纤测试法、涂漆法操作简便直观，但由于监测费用昂贵，传感器的灵敏 度要求较高，推广受到限制，目前仅在飞机、航天器等重要结构中使用，因此 要应用于工程中还有待时日。计算机仿真估算法提出了用人工神经网络更精确 的描述疲劳损伤过程中材料的性能变化，使结构的疲劳寿命的估算精度得到较 大的提高，但是把连续作用的载荷循环离散化处理，不能反映疲劳的过程实质。 1 2 武沤理王太堂亟堂僮淦塞 用断裂力学估算法估算金属结构的疲劳寿命较常规方法更合理，弥补了常规方 法中的不足，它不仅可以计算出结构的剩余疲劳寿命，而且对于具有初始缺陷 的结构也可计算宏观裂纹出现前的疲劳寿命，但该方法的推广还需做一定的实 验研究和实际积累，并且该方法对于宏观裂纹出现并稳定增长之前的金属结构 损伤情况不能给出很好的判断。疲劳分析估算法与反向推算法使用理论相同， 两种方法均存在由于统计数据的精确性不足，结构初始缺陷无法定量计入而使 计算结果出现误差的弊病。但由于反向推算法计算简便，操作容易且误差在允 许范围内，因此在目前看来，可作为起重机剩余疲劳寿命的估算方法。目前剩 余寿命评估反向推算法已经比较成熟，它包括载荷状态法和应力状态法等，其 中载荷状态法和应力状态法已经列入规范在上述的寿命评估方法中，前者是进 行起重机整体寿命预估，后者是进行结构寿命预估。起重机的工作寿命与其实 际载荷组合有很大关系，因此必须掌握实际使用情况。这就要求我们必须检测、 记录和整理自该机投入使用之时起的所有载荷和所受的应力情况。如何采集、 记录、分析这些数据是目前需要解决的关键问题。 2 4 本章小结 本章主要对金属结构剩余评估常见的方法做了一些说明，特别是对大型起重 剩余寿命的评估方法作了进一步的阐述，对比各种大型起重机剩余寿命评估方法 的优劣性和使用局限性，并对金属结构剩余寿命评估方法的发展和研究趋势进行 总结，为后面章节如何选择合适的评估方法打好基础。 1 3 第3 章疲劳与断裂理论在结构中的应用 3 1 疲劳的概念和分类 3 1 1 疲劳的基本概念 工程技术人员对疲劳问题的研究和试验历史可以追溯到1 9 世纪初，迄今已有 1 8 0 余年。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断地得 到修正和深化。 美国试验与材料协会( a s t m ) 在“疲劳试验与数据统计分析之有关术语的标准 定义，( a s t me 2 0 6 一- 7 2 ) 中对疲劳是这样定义的【1 5 】： 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或 完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。 上述定义清楚地指出疲劳问题具有下述特点： 1 ) 只有在承受扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生； 2 ) 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部； 3 ) 疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂； 4 ) 疲劳是一个发展过程。 3 1 2 疲劳的分类 根据研究对象、载荷条件、环境和介质情况，疲劳有很多种分类方法。 1 ) 按研究对象可分为材料疲劳和结构疲劳 材料疲劳：通过标准试样研究材料的失效机理、化学成分和微观组织对疲劳 强度的影响，疲劳试验方法和数据处理方法，材料的基本疲劳特性，环境和工况 的影响，疲劳断口的宏观和微观形貌等； 结构疲劳：以零部件、接头以至整机为研究对象，研究其疲劳特性、抗疲劳 设计方法、寿命估算方法、疲劳试验方法，以及形状、尺寸、表面状态和工艺因 素的影响，提高其疲劳强度的方法等。 2 ) 按失效周次可分为高周疲劳和低周疲劳 1 4 武遗理至太堂亟堂焦论塞 高周疲劳：材料或结构在低于其屈服强度的循环应力作用下，经过1 0 4 , - - 1 0 5 次以上的循环产生的失效。高周疲劳一般应力较低，材料处于弹性范围内，其应 力应变是成比例的，也称应力疲劳，它是机械中最常见的疲劳。如弹簧、轴等； 低周疲劳：材料或结构在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，在低于 1 0 4 , - - 1 0 5 次塑性应变循环产生的失效。由于其应力超过弹性极限，产生较大的塑 性变形，应力应变不成比例，其主要参数是应变，也常称应变疲劳。如高压容器、 汽轮机转子、飞机起落架等。 3 ) 按载荷条件分随机疲劳、冲击疲劳、接触疲劳、微动摩损疲劳和声疲劳。 随机疲劳：应力幅和频率都随时间变化的疲劳。如汽车底盘、半轴悬挂系统 等零件； 冲击疲劳：小能量多次冲击引起的疲劳。如内燃机阀杆等； 接触疲劳：零件接触疲劳在接触压力循环作用下出现麻点、剥落或表层压碎 剥落，从而造成零件失效的疲劳。如齿轮传动、滚动轴承、车轮等； 微动摩损疲劳：当两零件表面相接触，并作小幅度的往复相对运动时，在接 触表面上产生的疲劳，经过附着、氧化、疲劳三个阶段，是机械过程和化学过程 综合的结果。如铆钉联接件、螺栓联接件、紧配合件、销钉、花键、键联接等； 声疲劳：由气体动力噪声、结构噪声或电磁噪声等噪声使结构件产生的疲劳。 只有当作为激振力的噪声使结构产生的应力应变响应足够大，足以对结构材料造 成疲劳损伤时才可能产生声疲劳。如火箭和飞机的涡轮发动机作为噪声源，使飞 行器和机翼表面产生高声压水平的噪声场，足以对结构的局部危险区造成声疲劳。 4 ) 按温度环境分为高温疲劳、低温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。 高温疲劳：在高温环境下零件承受循环载荷发生的疲劳。高温指约在0 5 t m 或再结晶温度以上，t m 为以热力学温度表示金属熔点。高温疲劳时疲劳与蠕变共 同作用结果。如燃气轮机的叶片由机械振动产生的高温高周疲劳；燃气轮机转子 由装置的起动和停车而发生的高温低周疲劳等； 低温疲劳：在低于室温环境下零件承受循环应力作用发生的疲劳。如寒冷地 区露天机械结构产生的疲劳； 热疲劳：由温度循环变化而引起应变循环变化产生的疲劳。如锅炉水冷壁管 子因冷水分层现象使管子产生的疲劳； 腐蚀疲劳：在腐蚀介质和循环载荷联合作用下产生的疲劳。如化工机械、石 油机械某些零件，在酸、碱液体和气体中工作等。 武邋堡互太堂亟堂僮论塞 3 1 3 裂纹的分类 根据裂纹的几何特征、裂纹的力学性能和裂纹的形状，裂纹有很多种分类方 式。 1 ) 按裂纹的几何特征分类 按裂纹的几何特征可以分为穿透裂纹( 穿透板厚的裂纹) 、表面裂纹和深埋裂 纹，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 ( a ) 穿透裂纹：贯穿构件厚度的裂纹称为穿透裂纹。通常把裂纹延伸 到构件厚度一半以上的都视为穿透裂纹，并常作理想尖裂纹处理，即裂纹尖端的 曲率半径趋近于零。这种简化是偏于安全的。穿透裂纹可以是直线的、曲率的或 其它形状的。 图3 - 1 ( b ) 表面裂纹：裂纹位于构件表面，或裂纹深度相对构件厚度比较小 就作为表面裂纹处理。对于表面裂纹常简化为半椭圆形裂纹。 图3 - 1 ( c ) 深埋裂纹：裂纹位于构件内部，常简化为椭圆片状裂纹或圆片裂 纹。 甸甸甸 囵囫囫 口j 纠妒， 图3 1 裂纹的几何特征分类图 ( a ) 穿透裂纹；( b ) 表面裂纹；( c ) 深埋裂纹。 2 ) 按裂纹的力学性能分类 在实际构件中的裂纹，由于外加作用力的不同，可以分为三种基本状态， 即张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹，如图2 2 所示。 图3 2 ( a ) 张开型( 1 型) 裂纹：裂纹受垂直于裂纹面的拉应力作用，使裂纹面 产生张开位移。 图3 2 ( b ) 滑开型( i i 型) 裂纹，又称平面内剪切型：裂纹受平行于裂纹面并且 垂直于裂纹前缘的剪应力，使裂纹上下两表面沿x 轴相对滑动。 图3 2 ( c ) 撕开型( i i i 型) 裂纹，又称出平面剪切型或反平面剪切型：裂纹受 1 6 o ) c ) 图3 2 裂纹的力学性能分类图 如果裂纹同时受正应力和剪应力的作用，或裂纹与正应力成一定角度，这时 就同时存在i 型和i i 型，或i 型和i i i 型，称为复合型裂纹。实际裂纹体中的裂纹 可能是两种或两种以上基本型的组合。 机械承载结构的金属结构一般是箱形截面梁，对于这类结构，裂纹的发生部 位一般在其翼缘板上，各部分结构上裂纹可大致分类如下： 对于受拉构件