（精密仪器及机械专业论文）大型起重机在线寿命预测系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 大型起重机寿命预测是企业非常关心和迫切需要解决的问题，也一直是工程技术人 员研究的重要课题。由于设计的使用寿命与实际不符，因而根据起重机实际使用工况， 找到一种既有足够精度又有一定可靠性的估算大型起重机剩余寿命的方法具有重要意 义。 由于起重机的工作寿命与其实际载荷有密切联系，提出把在线监测技术与疲劳分析 理论相结合，设计了基于c o m p a c t 砌o 的数据采集系统，并利用l a b e w 开发了大型 起重机在线寿命预测系统，实现了在线监测以及剩余寿命实时显示，解决工程中的实际 问题。 简要回顾了该领域国内外的研究成果，并分析总结了疲劳理论知识，针对传统疲劳 寿命预测误差较大的问题，将隶属函数引入到寿命估算中，形成基于模糊修正m i n e r 法 则的疲劳寿命估算方法。以3 2 t 3 1 5 m 通用中轨桥式起重机为例，采用在线的名义应力 法进行寿命估算。建立三维模型并进行有限元分析，找出危险点；选择雨流计数法进行 应力时间载荷数据的统计，获得载荷谱；将材料的s n 曲线进行修正从而获得修正后的 s n 曲线；最后利用基于模糊修正m i n e r 法则进行寿命预测。 为获得起重机危险部分的实际载荷，利用n ic o r n p a c tr i o 可靠性高、配置灵活的 特点，设计了数据采集系统，并开发了系统软件程序，实现了采样的实时控制和数据存 储。 利用l a b v i e w 建立了大型起重机在线寿命预测的软件系统，通过配置模块进行材 料、起重机使用情况的配置；建立数据库，存储材料的s n 曲线数据、采集数据、工况 数据和寿命结果数据；根据实时传输的数据进行寿命计算，并将所需的内容通过车载的 显示器反馈给操作者，完成对该机实时监测和寿命预测。 提供了一种准确、实用的解决大型起重机估算剩余疲劳寿命的新手段，所使用的方 法和开发的软件不仅适用于桥式起重机，也适用于其他起重机。设计人员可以根据不同 的设备，不同的工况对该软件进行改进扩展，以满足各种特殊要求。 关键词：起重机；剩余寿命；预测系统 大型起重机在线寿命预测系统的研究 r e s e a u r c ho fo n 一1 i i l el i f ep r e d i c t i o ns y s t e mf o rl a u r g ec r a n e a b s 仃a c t l i f ep r e d i c t i o nf o r1 a r g e a n ei su r g e n tf o rs 0 1 v i n gp r o b l 锄sc 0 n c e n l e db ye i l t e 印r i s e ，a n d a l s oa 1 1i l l l p o r t 锄ts u b j e c to fe n 百n e e r i n g 龇l dt e c h i l i q u e a sm ed e s i g n1 i f ed o e sn o tm a t c hw i t l l t 1 1 ea c n 脚l i f e ，a 1 1 dc r 觚ea c t l l a lo p e r 撕n gc o n d i t i o n s ，i ti ss i 鲥f i c 锄tt o 丘n dam e 1 0 d 、) l 越c hh a s s u 伍c i e n ta c c i l r a c y 锄dc e n a i nr e l i a b i l 时t oe s t i m a t er e s i d u a l l i f eo fl a r g ec r a l l e a sm e 咖l ew o r k j n gl i f ei sc l o s e l yl i n k e dw i mt l l e 鼬l a l1 0 她o n - 1 i 1 1 em o i l i t o d n g t e c l l i l 0 1 0 9 y 诮t 1 1f a t i g u ea 1 1 a l y s i sm e o r yw 鹤c o m b i n e d ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t 锄b 嬲e do n c o m p a c tr j o a i l d 锄o n - l i n el i f ep 栅i c t i o ns y s t e i i lf o rl 鹕e 咖l eb yl a b v i e ww e r ed e s i 驴e d a i l dd e v e l o p e d t h e no n - 1 i i l em o i l i t o d n ga n dr e a l t h n ed i s p l a yr e s i d u a l1 i f ew e r ea c h i e v e d ， s 0 1 v i l l gm ep r a c 矗c a lp m b l 锄s i ne n g 通e 幽g t h ea c h i e v 锄e n ti 1 1d o m e s t i c 龇l di n t e f r l a t i o n a lm a n a g 锄e n tw a sr c 、，i e w e db e n y ，a n d m e o r e t i c a lk n o w l e d g eq ff i a t i g u ew a s 觚a l y z e d 锄ds u i m n a r i z e d f 0 rt 1 1 el a r g e 锄ri n 饥娅t i o n a lf 撕g u el i f ep r e d i 嘶o i l ，m 即1 b 洲p 缸n c t i o nt o 1 el i f ee s 劬a t i o nw 嬲i i l n o d u c e di i l o r d e rt of - 0 m 觚g u el i f e 销t i m a 廿o nm e t h o db a s e d0 n 舵z yr e v i s e dm i n e rr u l e t a k i n g 3 2 t - 31 5 m 舢o n 嘶d g ec r a n ef o re x 锄p l e ，f a t i g u el i f ew 硒髓t i m a t e db yo i l l i n en o m i n a l s 懈sm 甜的d w i mm r e e d i m e n s i o n a lm o d e le 虹b l i s h e da n d 觚t ee l 锄e n ta n a l y s i sp r e f o m e d d a n g e rp o i 幽w e r ei d e l l t i f i e d s t r e s st i l n ed a t aw a sc a l c u l a t e db yr a i l l n o wc o u i l t i l l gm e m o d 锄dm es nc 1 】r v eo fn l em a t e r i a lw a s 锄e n d e di no r d e rt o0 1 b 妇ar e 昕s e ds nc 1 】r v e a tl a s t ， 旧r e v i s e dm m e rm l ew a u su s e df o rp r e d i c t i i l gr e s i d l l a ll i f eu s e i i lo r d e rt oo b t a j h l e 删l o a do fd 锄g e r o u sp a r t so fc r 锄c s ，a a c q u i s i t i o ns ) ，s t e m w 硒d e s i 印e d ，b a u s e do nn ic o m p a c tr j o 恤c hh a d1 1 i 曲r e l i a b i l i t ) ra n dc o n f i g u r a t i o n n e x i b i l i 吼t h es y s t e mw a sd e v e l o p e dw i ml a b v i e w 锄da c l l i e v e sd a t aa c q u i s i t i o na n d s t o r a 喀e al a r g e 咖l eo n 一1 i n el i f ep r e d i 嘶o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，m a t e r i a l s 觚dc m e s o p 训o nc o n d i t i o nw e r ec o n 6 9 ：u r a ：b l e n l em a t e r i a ls j n c u r v ed a t g a m e r i n gd a t w o 凼n g c o n d i t i o n sa i l dr e s i d u a ll i f ed a t aw e r es t o r t 粗i i ld a t a b a s e r e a l t i m e 姗s i i l i s s i o nda _ t aw a st o p e r f o ml i f ec a l c u l a t i o l l ，a i l dd i s p l a y i i l gm e r e s u l tt om eo p 眦r i i lo r d e rt oc 0 m p l e t et h e c r a n e sr e a l t i m em o i l i t o r i n ga 1 1 dl i f ep r e d i c t i o n a sp r o 访d i n ga 1 1a c c w a t ea n d 删i c a lr e s o l u t i o nm a tc a ne s t i m a t em e r e s i d u a lf a t i g u el i f e o f l a r g ec r a n e ，m em e t l l o d 趾ds o f h v a r ed c v e l o p m e n tw e r cn o to i l l yu s e 向1 t ob d g ec r a n e ，b u t i i 大连理工大学硕十学位论文 a l s o 印p l yt oo m e rc r a n e s t h ed e s i g n e rc a i le x p a i l ds o r w a r eb 硒e do nd i f f 打e n td e v i c e sa i l d d i 侬嬲no p m n gc o n d i t i o n st om e e tav 撕e t ) ，o fs p e c i a lr c q u i 崩n c l l t s k e yw o r d s ：( ：r a n e ：r e s i d u a ll i f e ：p r e d i c t i o ns y s t e m i i i 大连理工大学硕七学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：丑年上月旦日 日期：- 牛年立月丑日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盘垫塾垒担垒篮耋壹叠型錾鱼鱼堑壅 作者签名：盔娄整日期：兰卫年j 三月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 大型起重机寿命研究的背景和重要意义 作为石油化工、冶金、建筑、水利电力、港口、机械等行业中不可或缺的重要设备， 起重机正向着高参数、大型化发展，起重机机构的运行速度和起升高度也大幅度地提高， 与此同时，随着我国经济建设的飞速发展和改革开放的不断深入，国外的一些新旧大型 起重机械不断被引进国内。由于实际工作载荷与设计时所承受载荷的不同，大型起重机 的设计寿命与实际的工作寿命也会不同，甚至会产生很大偏差。设备的更新报废使用时 间至今没有标准，企业中现有的设备大多已服役多年，它们的使用寿命或极限状态的预 测，是企业非常关心和迫切需要解决的问题【1 】。 起重机的安全工作寿命，不是由任何一个易损零部件的寿命决定的，而主要取决于 金属结构不发生破坏的工作年限。金属结构的破坏，会给起重机带来极其严重的后果。 所以说大型起重机的剩余寿命主要是指其金属结构的寿命。所谓剩余寿命，是指系统在 运行一段时间后，各种损伤累积达到允许值之前的能保持正常工作的时间。起重机的金 属结构是在不断变化的载荷作用下工作，疲劳是其主要的失效形式。据统计，机械的断 裂事故中，8 0 以上是由金属疲劳引起的【2 1 。疲劳破坏在现代工业中是十分普遍，疲劳 破坏是造成工程结构破坏的主要形式，其所导致的后果是灾难性的。起重机械的金属结 构通常比较复杂、工况多变，一些工作年限长且仍在繁忙工作的起重机，其金属结构的 疲劳问题日益突出。 随着现代化建设的加快，大型起重机的满载几率加大，工作繁忙程度加重，一些起 重机大部分时间都在高应力水平下运行，甚至超出其许用应力水平。对大型化、老龄化 的起重机而言，其金属结构的故障时有发生，严重地影响生产的安全，并造成重大的经 济损失和社会影响。建筑工地事故以及地铁施工工地等发生起重机倒塌事件，造成重大 经济影响以及人员伤亡。而在我国，随着起重机械使用数量的增多，起重伤害事故占全 部工业企业伤亡事故的比例也呈逐年上升的趋势。目前，我国有数以千计的大型起重机 械，它们的金属结构通常比较复杂、工况多变，某些重要构件常常在所承受的载荷远小 于设计许用载荷的情况下就过早地出现裂纹，由此引起的突发性结构断裂事故也时有发 生。起重机械的安全问题己成为国家所面临的重大问题之一，一旦发生事故，经济损失 惨重、社会影响恶劣。起重机倒塌事故图如图1 1 所示。 人m 起重桃n 线寿命颅删系统的研究 幽ll 起皿机俐塌事件 f i g lle v e n bo f 咖e c o l l a p s e 因此，分析起重机的金属结构，科学准确地评估预测起重机的剩余疲劳寿命，尤其 是大型起重机的剩余寿命，并进行有针对性的预防，对防止伤r ：事故的发生，减少经济 损失搞好安全生，“显得尤为重要。对于提高企业的装卸效率、保证企业的安仝生”、 降低成本、提高经济效益等，都有十分重要的意义 ”。 目前对大型起重机的剩余寿命评估技术在国内外都f 处于研究阶段。由于使用条 件、使用频繁程度、保养情况等的不同，目前对大型起重机没有一个统一的报废标准。 由于设计时不知道其使用的实际载荷组合，所以设计的使用寿命与实际不荷，甚至出现 很_ ： = 偏差。因此，寻找一种能够比较科学、简便、实用的计算方法来判定人型起重机剩 余寿命追在眉睫。本文针对大型起重机研究在线剩余寿命的预测方法，为工厂提供了一 种准确、实川的解决估算疲劳寿命的新于段。 12大型起重机寿命研究的现状发展动态 有效预测大型起重机的剩余寿命只有极大的工程意义，足工程界非常关心的个问 题。但由于影响余属疲劳的凼索复杂起重机工况多娈，准确预测起苹机剩余疲劳寿命 的工作比较用难。长期以柬，起熏机的剩余寿命评估，特别是大型起重机的剩余寿命计 估问题，一直是工程技术人员研究的重要课题。 大连理工大学硕十学位论文 在国外，许多公司均在装载机上安装电子计算机监控系统，如卡特彼勒公司、l e i c a 公司、沃尔沃( v o l v o ) 公司、凯c a u s e 公司等利用在线监测技术，通过人机交互显示和记 录各种信息，为寿命评估提供依据，并实现自动诊断和安全检测功锹3 1 。另外，国外许 多实验室中，对大型起重机的疲劳寿命的预测也进行大量研究，如h a l e ，l e e ，i c o s e 等 人先后采用光纤传感器进行了对金属结构疲劳裂纹监测的研究工作，初步实现了利用光 纤传感器等智能结构对起重机疲劳裂纹扩展进行实时监测，但该研究还处于研究初级阶 段，还没有设计出成型的仪器，推广起来还需一定的时间【4 】。 在国内，行业的一些专家学者对起重机的疲劳寿命也做了一定的研究。中国工程物 理研究院结构力学研究所的陈学前【5 】按照s t e i n b e r g 提出的结构在随机载荷作用下的响 应是基于高斯分布和m i n e r 提出的线性疲劳累积损伤理论对设计的结构在给定随机振 动环境下的寿命进行预估；宁波大学的徐永春【6 】根据断裂力学分析方法，建立节点疲劳 开裂的力学模型，评价塔机结构件安全运行所能达到的强度和安全运行寿命；西南交通 大学的熊莉【7 】以等幅载荷疲劳裂纹稳定扩展阶段的计算公式为基础，估算了桥门式起重 机焊接箱形梁的疲劳裂纹扩展寿命；烟台大学的曲淑英【8 1 讨论了局部动力效应影响与大 型起重机寿命预测的影响；上海海事大学的张卫引9 】利用z e n 溅三维裂纹分析软件， 详细分析未穿透裂纹与穿透裂纹的裂纹扩展关系，以及初始裂纹大小和载荷幅值对未穿 透裂纹的疲劳裂纹扩展寿命的影响；北京建筑工程学院的孟宪颐【l o 】针对塔机的剩余寿命 估算提出一种基于塔机设计规范的反推算法，简便、实用，可用来对塔机的剩余寿命进 行估算；大连理工大学的鞠宁【l 】针对门式起重机建立了大型起重机剩余寿命估算系统， 采用载荷状态法对起重机的寿命进行实时预测，并建立p c 后处理软件系统，进行更细 的寿命分析，但使用载荷状态法进行在线预测寿命，只是从载荷的角度上对整机进行预 测，并没有针对金属结构进行预测，而进一步的预测仍需离线进行；华东交通大学胡万 华【l l 】与太原科技大学的徐格宁【1 2 】也先后设计了离线的起重机疲劳剩余寿命评估软件。 总之，无论是国外还是国内，对起重机疲劳寿命的预测主要分为两个方向，一个研 究估算方法，使估算方法更加准确、简单、方便；另一个方向是进行疲劳剩余寿命评估 系统的研究，而国外更倾向于将寿命预测与在线监测结合起来，实现对起重机疲劳寿命 的实时预测。因此，如何选择估算准确简便的寿命预测方法，以及如何建立大型起重机 寿命在线预测系统就是本文的研究内容。 1 3 大型起重机寿命预测的方法 由于影响金属疲劳的因素复杂，准确预测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实 大型起重机在线寿命预测系统的研究 验研究方法，有超声波探伤法、巴克豪森法、光纤测试法、涂漆法和红外线检测法等。 虽然现场检测的方法简单直观，但由于监测费用昂贵，很难进一步推广。另一类是基于 理论研究的方法。到目前为止，关于疲劳寿命的估算问题，许多学者己经做了大量的研 究，提出了不少估算寿命的方法，主要有计算机仿真估算法、名义应力法、局部应力一 应变法、断裂力学法等【l3 1 。 ( 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。系统按循环载荷一时间历程推进， 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，由此来估算结构的剩余疲劳寿命【1 3 】。 ( 2 ) 名义应力法 名义应力法是一种传统的并且形成较早的安全寿命估算方法。所谓名义应力，就是 指缺口试样或要计算的结构元件的载荷，被试样的静面积所除得到的应力值，也就是该 面积上的平均应力值。名义应力法的具体步骤为【1 4 】： 对起重机进行受力分析或经验统计，找到疲劳破坏危险点，进行应力测量。 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； 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m ，n i 了； 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d = 艺( 1 1 i ，n i ) ，以总损 伤值d = 1 为断裂判据，进而估算金属结构的剩余疲劳寿命。 这种方法也有缺点。第一，当应力水平较高，构件的危险点发生局部屈服时，名义 应力法误差就会很大，不再适用；第二，作为名义应力法的前提，m i l l e r 公式和材料或 构件的，s - n 曲线都是由试验得到，都不很精确；第三，名义应力法需要用到许多修正 系数。 不过，由于这种估算疲劳寿命的方法研究的时间较长，人们积累了许多宝贵资料和 丰富经验，且计算简便，所以，名义应力法仍是目前工程中计算高周疲劳寿命时广泛使 用的一种方法。 ( 3 ) 局部应力应变法【l3 】是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算 方法。其基本的设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。这种方法认为，构件的 疲劳破坏总是从应变集中部位的最大应变处开始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的 大连理t 大学硕士学位论文 局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，因此构件的疲劳性 能就取决于该局部的应力状态。 ( 4 ) 断裂力学估算法 断裂力学理论【1 3 ”1 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。 断裂力学方法常常与局部应力应变法联合使用。先用局部应力应变法计算出裂纹形 成寿命后，再用断裂力学方法计算出裂纹扩展寿命，两阶段寿命之和即为零构件的总寿 命。 1 4大型起重机寿命预测的发展趋势 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 提高起重机寿命评估的真实性与可靠性。侧重于研究选择适合于工程的金属 结构实际测量的方法，找到应用于实际的判断依据，从正确地评价其寿命。 ( 3 ) 提高起重机寿命评估的理论精确性。完善疲劳强度理论及断裂力学方法；研 究更适合系统的寿命预测方法；进一步研究计算可靠度的方法。 ( 4 ) 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，可以及 时对起重机进行维护，防止重大事故的发生，并能适当增加起重机的寿命，从而节约成 本。 ( 5 ) 提高起重机寿命评估的可实施性以及通用性。能够在各种起重机包括老式起 重机上进行应用，这样就给了厂家极大的方便。 1 5 本文的研究目的与内容 本文来源于项目工程机械故障智能诊断系统及剩余寿命评估体系，负责剩余寿命预 测部分，通过在线测量实际数据对剩余寿命进行修正，更准确地预测结构的安全剩余寿 命，及时对机器进行维修，防止重大事故的发生。 本文研究工作主要内容包括： 大型起重机在线寿命预测系统的研究 ( 1 ) 研究疲劳理论知识，分析大型起重机的实际工作状况，得出起重机的疲劳类 型。针对目前起重机寿命评估方法的原理及特点进行分析，并根据其疲劳类型，并结合 在线修正的思想，确定采用在线修正的方法进行估算疲劳寿命。 ( 2 ) 疲劳寿命的核心就是疲劳累积理论。通过将模糊数学的概念引入到疲劳损伤 的中，提出了基于模糊m i i l e f 法则的疲劳寿命估算方法，并根据实验数据进行验证。 ( 3 ) 对某桥式起重机进行三维建模以及有限元分析，以确定疲劳的危险部位，进 而确定测点的布置；选择雨流计数法将时间载荷历程简化为载荷谱，并进行平均应力修 正；确定材料的s n 曲线，并进行修正，这也是疲劳估算的一个重要部分。 ( 4 ) 为获得起重机危险部分的实际载荷，设计了基于c o m p a c t 对o 应力采集系 统，并开发了系统软件程序，实现了采样的实时控制和数据存储。 ( 5 ) 确定系统方案，完成系统总体框架的建立，并且通过分析比较，确定开发系 统的软件开发平台。确定大型起重机剩余寿命评估系统的软件方案，利用虚拟仪器开发 平台l a b v i e w 结合m a t l 心研发相应的软件系统。 本文在研究分析疲劳寿命预测原理的基础上，把起重机结构的在线实际测量数据与 疲劳分析理论相结合，及时对起重机的剩余寿命进行修正，设计了大型起重机在线寿命 预测系统。期望能通过选择合适的评估方法，通过车载设备实时得到该机的剩余寿命结 果，从而解决工程机械剩余寿命评估，进而提高工程机械产品的安全性、使用经济性， 为工程机械设计人员、用户、维护人员提供更加全面、系统、实用的设计、使用、维护 方法，使工程机械智能化系统更加完善。先以桥式起重机为切入点，再推广到其他起重 机。 大连理工大学硕士学位论文 2 疲劳理论基础 2 1起重机疲劳分析理论基础 2 1 1 疲劳的定义 疲劳是结构在一定的载荷水平内( 小于极限静载荷) 承受重复性载荷而产生的一种现 象。材料的疲劳破坏指材料在低于其强度极限的交变应力( 或应变) 的反复作用下，发生 裂纹萌生和扩展，最终导致突然断裂的一种失效形式。因此，疲劳特点为：只有在承受 扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生；疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部；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；疲劳是一个发展过程 1 6 】。 2 1 2 疲劳破坏的概念 当材料或结构受到多次重复变化的荷载作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强 度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变荷载重复作用下材 料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏 1 。7 1 。 造成疲劳破坏的内因材料特性性和应力集中程度，外因则是附加力的情况和次数， 以及环境等。疲劳破坏的破坏形式与静荷载下发生的强度破坏截然不同。疲劳破坏断口 不同于其它失效类型的断口，在宏观和微观上均具有明显的特征，如图2 1 所示。 ( a )圆轴的宏观断面 ( b ) 微观疲劳扩展区 ( a ) t h em 啪s e c t i o no f c 疵u l a rs h a 盘( b )m i c 一f a t i g u ee x “m s i o n 图2 1 疲劳破坏断口示意图 f i g 2 1 s c h e m 撕cd i a 蹦吼o f f ；m g i l ef a i l l 鹏觚t u 他 a a 厂 大型起重机在线寿命预测系统的研究 2 1 3 起重机的疲劳类型 疲劳一般分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三类。机械疲劳是指结构在交变机械 应力作用下的破坏。热疲劳是由于温度的循环变化而引起应变的循环变化，并由此产生 的疲劳。腐蚀疲劳是在循环交变应力和腐蚀环境联合作用下而产生的开裂与破坏。 起重机在使用过程中受到温度变化和腐蚀环境的影响相对很小，其疲劳破坏主要是 来回移动货物导致其钢结构上承受复杂交变应力引起的，因此起重机的疲劳属于机械疲 劳。起重机起吊货物都是随机的，因此在其钢结构内产生的交变应力也是随机，没有固 定的应力幅度和频率，因此起重机的疲劳是属于机械随机疲劳。起重机在设计时，出于 安全考虑，一般其设计名义应力都大大小于材料的屈服极限，其使用寿命也要求较长， 因此起重机疲劳属于变幅、低应力、高周疲劳范畴。 2 2 材料的s n 曲线 材料的s n 曲线是进行疲劳寿命计算的重要参数之一，它是通过对标准的材料试样 进行疲劳试验来得到的。在对材料标准试样进行疲劳试验时，通常用等幅交变循环应力 进行试验【1 8 ，1 9 1 ，如图2 2 所示。 图2 2 等幅交变荷载下的应力图 f i g 2 2 s 缸鹊sm 印o f a m p l i n l d ea l t 锄a t i l l gl o a d 其中，最大应力为，最小应力为，应力幅为盯，平均应力为，应力水平 为，应力比为r ，这些参数的相互关系为 仃2 仃懈一仃m j n 盯，= p 一+ 仃岫) 2 吒= p 一一仃胁) 2 r = 仃懈仃。i n 一8 一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 通常用来进行疲劳试验的循环应力曲线的应力比r l 、平均应力= o ，这样的循 环应力称为等幅对称交变循环应力。 2 2 1 s n 曲线 为了确定材料或构件的疲劳性能，通过在给定的循环应力下对试件进行试验，记录 下试件破坏时的应力循环次数，可得到一条应力与寿命的关系曲线，称为s n 曲线( 如 图2 3 ) ，是进行疲劳寿命计算的重要参数之一。它反映了施加应力水平与疲劳寿命之间 的关系。一条完整的s n 曲线可以分为三段：低周疲劳区( l c f ) 、高周疲劳区( h c f ) 和亚 疲劳区( s f ) 【1 4 】。 o 0 n 0 n 图2 3 典型的s - n 曲线图2 4 双对数坐标的s n 曲线 f i g 2 3t ) i p i c a ls _ nc n l v ef i g 2 4 s - nc u r v eo fd o u b l el o g 撕t 1 1 i n i cc o o r d i n a t e s 各种材料和构件的，s n 曲线形状不尽相同，所以，s n 曲线表达式也有若干不同 的形式。钢结构疲劳分析中常用的一般是幂函数公式 2 0 】： 盯m = c ( 2 5 ) 式中c 和，所是材料常数，由试验数据确定。将上式2 5 两端取对数后得到【2 l 】 l g 仃= 口+ 6 l g ( 2 6 ) 式2 6 表明：口和在双对数图上呈线性关系，如图2 4 所示。需要指出的是，对 于不同的应力比和失效概率s - n 曲线也会不同。另外，s n 曲线通常是用来表示高周疲 劳寿命的疲劳性能，即般大于1 0 4 1 0 5 次。 2 ，2 2 与存活率相关的s n 曲线 疲劳试验的数据往往具有很大的离散性，因此，试样的疲劳寿命与应力水平间的关 系并不是一一对应的单值关系，而是与存活率p 相关。研究表明，疲劳性能的分散性符 合一定的概率分布。当寿命恒定时，疲劳强度服从正态分布和对数正态分布。当应力恒 一9 一 大型起重机在线寿命预测系统的研究 定时，在 ： 1 与 图2 6 雨流计数法的计数第一阶段 f i g 2 6 f i r s ts t a g eo fr 痂n o w i n gc o 吼tm e t l l o d 4 6 经过上述计数阶段后，剩下的如图2 6 ( b ) 所示的发散收敛波，即雨流计数法第二计 数阶段。把经过雨流计数法第一阶段计数后的发散收敛波从最高波峰或最低波谷处截成 两段，使左段的起点与右段的末点首尾相接，构成图2 6 ( a ) 所示的收敛发散波，再用雨 流计数法进行计数。图2 6 ( b ) 和图2 7 ( a ) 所形成的迟滞回线相一致，如图2 7 ( b ) 所示。 大连理工大学硕士学位论文 载荷 弋、， 一 1 5 ( 1 ) ! 一，、 一、一一 ( 9 ，夕 多 一 时 问i ( a ) 1 4 1 4 - 、6 应力。 1 4 一 刃6 t f ，i 1 5 ( 1 ) 应变 l ( 9 ) 图2 7 雨流计数法的计数第二阶段 f i g 2 7 s e c o n ds t a g eo f i ：a i nn o 咖gc o u i l tm e t h o d 2 5在线修正的名义应力估算法 在名义应力法的基础上，本文采用在线修正的方法进行估算疲劳寿命的步骤如图 2 8 所示，其步骤为【2 6 j ： ( 1 ) 确定结构中的危险部位。通常利用有限元软件进行应力分析，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。根据对危险部位的实际测量，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。本文利用在线监测进行数据的补 充，使统计更加符合实际使用情况； ( 3 ) 确定s n 曲线。利用手册查得材料的s n 曲线，并根据参数进行修正。 ( 4 ) 计算总损伤值。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 损伤值玎i m ，以m i i l e r 线性累计损伤理论计算综合载荷造成的总损伤值d = ( 以i m ) 。本 文在计算损伤值上利用测量应力的载荷谱进行即时修正； ( 5 ) 估算剩余寿命。由累积损伤值的倒数可以算出总循环次数，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。 大型起重机在线寿命预测系统的研究 确定危险部位 载荷测量 确定载荷谱 l 有限元分 i 析或经验 兰= 】二二= l 结构参数及 l 工况参数 【一 雨流计数法 掣i i p 1 。“叨铽 磊赢磊习i 生! 些竺 计算结构损伤值 预估剩余寿命 m i n e r 理论 图2 8 在线名义应力估算法 f i g 2 8 o n - l i l l en 伽m i n a ls n 鹊se s t i m a t i o nm e t h o d 本文在传统名义应力法的基础上形成了一种在线修正的名义应力法，利用在线监测 和数据的即时补充，使剩余寿命更加符合实际工况。 2 6本章小结 本章主要对疲劳分析理论进行了基础介绍，首先介绍了疲劳的基本概念，并根据起 重机的自身特点，确定起重机的疲劳类型为高周机械随机疲劳；介绍了材料的s n 曲线 以及p s n 曲线的定义及确定方法；分析影响结构疲劳强度的主要因素；采用雨流计数 法来进行应力数据的统计，进而来确定载荷谱；采用在线名义应力评估法，利用在线监 测和数据的实时传输，对寿命进行实时预测。 大连理工大学硕七学位论文 3 基于模糊m in e r 法则的疲劳寿命估算方法 累积损伤理论是估算变幅荷载或随机荷载作用下材料或构件疲劳寿命的基础。对于 疲劳累积损伤理论的研究已持续了数十年之久，但由于问题的复杂性，至今尚未得出一 个令人满意的模型。传统的疲劳寿命预估中，认为只有当构件承受高于疲劳极限的应力 时，才会对构件产生损伤；当应力小于疲劳极限时，不会对构件产生损伤，实际上这是 欠合理的。首先疲劳极限就是个不确定值，而且即使低于疲劳极限的应力对初始损伤影 响不是很大，但对于裂纹扩展阶段的损伤也有一定的影响。因此，传统疲劳寿命预测理 论在实际应用中的误差较大，疲劳寿命预测必须考虑在疲劳极限附近的应力对构件造 成的损伤。 3 1 疲劳累积理论的总结 在疲劳研究过程中，人们早就提出了“损伤 这一概念。所谓损伤，是指在疲劳过 程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。当材料承受高于疲劳极限的 应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤为1 脚。 这种损伤是可以积累的，胛次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比c = 张。到现在为止， 已提出的疲劳累积损伤理论不下几十种。这些疲劳累积损伤理论归纳起来可以分为以下 四大类【1 8 ，2 6 】： ( 1 ) 线性疲劳累积损伤理论。这种理论假定，材料在各个应力水平下的疲劳损伤 是独立进行的，总损伤可以线性叠加。其中最有代表性的是m i i l e r 法则。 ( 2 ) 双线性累积损伤理论。这种理论认为，材料在疲劳过程初期和后期分别按两 种不同的线性规律积累。其中最具代表性的是m a n s o n 的双线性累积损伤理论。 ( 3 ) 非线性累积损伤理论。这种理论假定，载荷历程与损伤之间存在着相互干涉 作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与其以前的载荷历史有关。其中最有代表性的是损 伤曲线法和c o r t e l l d o l a n 理论。 ( 4 ) 其它累积损伤理论。这些理论大多是从实验、观测和分析归纳出来的经验或 半经验公式，如l e w 理论、k 0 z m 理论等。 工程中使用最广泛的是m i n e r 线性累积损伤理论，其认为：变幅疲劳中各个应力幅 仍所造成的损伤可用”跳来定量表示，且可以线性叠加。该理论假设：累积损伤只产生 在应力大于材料疲劳极限的范围内，小于材料疲劳极限的应力不引起损伤而具有无限寿 大型起重机在线寿命预测系统的研究 命；各循环应力所产生的损伤分量之和为1 时，试样发生破坏；试样达到破坏时的总损 伤量是一个常数，且损伤与载荷的作用次序无关。 事实上，应力能否对构件产生损伤存在一个中间过渡状态，称为模糊状态，这种以 疲劳极为界、用绝对的“损伤”或“无损伤 来判别的方法不能准确地反映出客观现象 的本质。构件的疲劳极限本身存在一定的模糊性，特别是对于一些高强度钢，本身并不 存在明显的疲劳极限，只存在于1 0 7 对应的耐久刚2 7 2 8 】；除了与材料特性有关外，疲劳 极限还受到应力集中、尺寸、表面状态以及载荷等因素的影响，构件的疲劳极限不是一 个“确定性 的量，疲劳极限的“不确定性”必然导致不同应力水平对构件造成损伤的 “不确定性 ，这种“不确定性 实质上是一种疲劳损伤的“模糊性 。 因此在疲劳极限以下，尤其是在疲劳极限附近的应力，对材料是否构成损伤呈现出 模糊的状态，将模糊理论中隶属函数引入到疲劳寿命分析中，这样更加符合客观事实与 事物本质，预测结果更加准确。 3 2 基于隶属函数的疲劳寿命预测模型的建立 3 2 1 隶属函数的定义 隶属函数就是建立从论域u 到 0 ，1 的映射，用来反映对象具有某个模糊性质或属于 某个模糊概念的程度。设仉l 表示疲劳极限，膈表示极限寿命，则取应力盯 仉l ，由s - n 曲线，显然胗d ，因此1 个循环造成的损失d ( 力 d o ，则在 0 ，仉l 】上，o d ( o ) d o l ， 且递增。取d ( 力为模糊集， o ，仉1 为论域，则d ( 力慨反映了应力为盯时造成损伤d 的 隶属程度，故当盯 o ，仉1 时，d 的隶属函数为2 8 】 以咖掣= 等 ( 3 1 ) 当盯由0 变化到仉l 时，d ( 力递增，因此，d ( 力应为半升隶属函数。 3 2 2 模糊损伤疲劳寿命计算模型 将隶属函数引入到m i n e r 法则中，设第f 级载荷出现了次，f - 1 ，2 ，玎。故当 仃i 仉l 时盯i 的级数为聊，则载荷造成的累积损伤为【2 9 】 d 1 = y 旦( 3 2 ) 1 葛h t 其中，m 为第f 级载荷下的寿命。 当盯i o 为常数) 雕，= 惮譬 一1 8 一 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 在疲劳估算应用中，由于统计数据的局限性，开始只能选择一些经典的隶属函数， 大致能够反映所处理问题的模糊性即可，随着对疲劳估算研究的深入，通常初步确定粗 略的隶属函数，再通过“学习和“校验 逐步进行修正和完善。 3 3模糊疲劳寿命估算实例 本文以具有横向孔的圆棒的两个程序加载疲劳试验c f d l 和c f d 2 ( 实验数据见表 3 1 ，3 2 ) 为例。试件的有关原始数据为【3 2 】：试样的疲劳极限口1 = 1 7 3 5 埘c m 之，疲劳极 限对应的循环次数o = 2 x 1 0 6 ，试验c f d l 实测疲劳寿命 k 1 为2 0 1 0 6 次，c f d 2 实测疲 劳寿命为2 2 1 07 次。 表3 1 c f d l 试验数据 t a b 3 1t 朗td a t ao f c f d l 应力级西( m p a )应力级频次确 7 ；( 根据s - n 曲线) l5 5 0 49 o 1 0 j 24 7 53 21 1 6 l 矿 34 2 35 6 02 1 0 1 0 耳 43 6 2 5 4 4 04 7 0 1 矿 52 8 74 0 0 0 01 5 5 1 0 62 1 2 1 8 4 0 0 08 7 0 1 0 71 3 75 6 0 0 0 0 88 3】2 1 0 0 0 0o 。 表3 2 c f d 2 试验数据 t a b 3 2t e s td a t ao fc f d 2 应力级历( m p a )应力级频次碣m ( 根据s - n 曲线) 13 5 o4 45 6 1 0 q 23 3 23 5 27 4 l 矿 32 9 85 1 6 01 3 1 矿 42 5 45 9 8 4 02 8 1 0 3 52 0 14 4 0 0 0 01 2 5 1 0 0 61 4 9 2 0 2 4 0 0 0 79 66 1 6 0 0 0 0 84 4 1 3 3 1 0 0 0 0 本文利用m