港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用

1、港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用交通部水运科学研究院刘晋川张玉波丁敏摘要:对结构疲劳寿命预测的主要方法进行讨论,分析了基于断裂力学的结构疲劳寿命预测的必要性,介绍了损伤容限法的计算方法,开发了相关的结构疲劳寿命安全评估分析系统.关键词:港口机械;疲劳寿命;安全评估;断裂力学Abstract:Mainmethodstoforecaststructuralfatiguelifearediscussedandthenecessitytoforecaststructurefatiguelifebasedonfracturemechanicsisexpound

2、ed.Basedonthis,astructuralfatiguelifeestimatingsystemisdevelopedusingtheallowabledamagemethod.Keywords:harbormachinery;fatiguelife;safeestimation;fracturemechanics1引言结构疲劳寿命预测及安全性分析不仅在航天,航空,造船等尖端工业领域有着十分重要的意义,对一般机械设备的使用的可靠性和安全性也具有重要作用.根据国外的统计,机械零件的破坏50%90%为疲劳破坏.我国目前尚没有对疲劳破坏问题做过全面调查,但同类产品的使用寿命往往比发达国家低

3、,存在的问题也更为严重.港口起重机械是码头装卸船的关键设备,其钢结构作为承受载荷的部件,在循环往复的交变载荷作用下,都可能发生裂纹萌生,扩展,并导致突然断裂的破坏.结构疲劳破坏是实际工作中比较常见的现象,正确估算港机金属结构的疲劳寿命,并对其安全性进行概率评估,对港口运营安全性,可靠性具有非常重要的意义.2结构疲劳寿命分析基本方法疲劳寿命分析主要包括以下4种方法:(1)名义应力法.以名义应力为基本参数,以sN曲线为主要计算依据.根据设计寿命的不同,分为无限寿命设计法和有限寿命设计法;根据名义应力参数的不同,又分为应力比法和应力幅法.(2)局部应力应变法.是在低周疲劳基础上起重运输机械2008(

4、3)发展起来的疲劳寿命估算方法,其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力.局部应力应变法目前主要应用于单个零件的疲劳分析,对于大型复杂结构,尚难以进行精确的应力应变分析.(3)损伤容限法.在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳分析方法.其基本原则是承认材料内有初始缺陷(裂纹),根据材料在外载荷下的裂纹扩展性质,估算其剩余寿命.(4)疲劳可靠性法.在考虑了载荷,材料疲劳眭能和其他影响疲劳寿命数据分散性的基础上,提出疲劳破坏的概率,保证在一定范围内不破坏.上述疲劳寿命分析方法中,根据sN曲线的斜线部分进行寿命估算的名义应力法算出的是总寿命.局部应力应变法算出的是裂纹形成寿命.根据断裂力学方法进行

5、寿命估算的损伤容限法算出的是裂纹扩展寿命.裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和为总寿命.3起重机结构疲劳寿命分析概况20世纪60年代初,我国少数研究院开始进行疲劳问题的研究试验,1978年召开了首次全国性的疲劳问题讨论会.疲劳分析工作进展最快的是航空工业部门,其开展的试验研究为我国疲劳分析的推广应用奠定了很好的基础.港口机械开展结构疲劳寿命研究与试验,检1测开始于20世纪90年代.随着我国经济建设的发展,港口有了大的发展,大量的港口装卸设备投入使用,同时一批国外二手设备也流人国内码头.港口繁忙的工作状态,恶劣的工作环境,循环往复装卸船的工作性质造成港口装卸机械结构疲劳问题日益严重,推动了港机结构疲劳

6、寿命分析工作的开展.目前,对大型金属结构,尤其是受变载,重载的港口起重机械含缺陷钢结构的疲劳寿命预测及安全寿命评估技术,维修与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的安全性检测,分析与评估方法.3.1名义应力法目前,港口机械进行结构疲劳分析与寿命评估,主要采用名义应力法J.名义应力法的主要分析步骤为:(1)用雨流计数法统计出结构疲劳分析位置在典型工作时间历程中的应力循环情况,确定结构的载荷谱和应力谱.应力循环可以选择典型工作状态计算分析,也可以现场检测结构应变获取应力谱.(2)结合材料的SN曲线,再考虑各种影响系数,确定结构构件的sN曲线.(3)按照线形(或非线形)

7、累计损伤法则进行疲劳强度分析.线形累计损伤法则(Miner法则)简单易用,但该法则没有考虑加载循序,残余应力,低于疲劳极限的应力对结构的影响和某些应变时效材料的低应力锻炼作用,估算出的寿命与实际寿命相比出入较大.采用修正后的Miner法则(非线形累计损伤法则)可以提高分析准确度,如MarcoStarkey损伤曲线法和CortenDolan指数损伤法.(4)按照一定的累计损伤理论进行疲劳寿命估算.以总损伤值为产生裂纹的依据,计算裂纹形成寿命,排除设备过去使用的工作时间,以此估算金属结构的剩余寿命.(5)进行验证性疲劳试验.由于港口装卸设备结构庞大,而进行疲劳分析的设备一般为在用设备,难以进行疲劳

8、验证性试验.目前一般是在疲劳寿命估算期内,采用安全巡检的方式,对设备疲劳危险点进行监控,以保证结构安一2一全使用.应用名义应力法计算疲劳寿命,理论简单,易于进行应力分析与现场检测.但该方法都是议结构材料内没有缺陷和裂纹为前提的,同时需要在总寿命中排除设备过去工作的应力循环数.实际工作中,由于种种原因,结构材料内部往往已经存在着初始缺陷或裂纹,不论是宏观缺陷(或裂纹)还是微观缺陷(或裂纹);同时许多企业对进行疲劳分析设备的历史工作记录不全或不准确.这些因素都严重影响了应用名义应力法开展结构疲劳寿命分析的准确性.3.2损伤容限法损伤容限法是以断裂力学理论为基础,以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩

9、展速率的计算,测定技术为手段,以有初始缺陷或裂纹结构的剩余寿命估算为中心,以断裂控制为保证,确保结构在使用期内能够安全使用的一种疲劳分析方法.断裂力学认为,材料均有缺陷,有了裂纹不一定破坏,只有到达临界状态时的裂纹才能造成结构破坏.损伤容限法的关键是在结构探伤的基础上正确估算裂纹扩展寿命.应用以断裂力学为基础的损伤容限法进行结构疲劳寿命分析,在飞机,船舶,海洋平台结构等均有一定的研究卜,港机结构方面也开展了一定的工作.,但目前还没有成熟的检测与分析系统投入实际应用.(1)应力强度因子当结构存在裂纹时,裂纹尖的应力理论上为无穷大,因此不能用理论应力集中系数表达,而必须用应力强度因子来表达.的大小

10、反映了裂纹尖附近区域内弹性应力场的强弱程度,可以作为判断裂纹是否发生失稳破坏的指标.应力强度因子分为,分别代表I型(张开型),I1型(滑开型)和型(撕开型)变形情况下的裂纹尖的应力强度.其中I型最危险,研究也最成熟.一般情况下,应力强度因子的普遍形式为K=Ftr(1)式中卜决定于裂纹体形状,裂纹形状,裂纹位置与加载方式的系数,可能是常数,也可能是口的函数(可查手册)起重运输机械2008(3)口裂纹尺寸(2)断裂韧度应力强度因子的临界值,即发生脆断时的应力强度因子,为断裂韧度.断裂力学的断裂判断依据为KKc(2)I型裂纹在平面应变条件下的临界应力强度因子为平面应变断裂韧度K.,K.是反映材料韧度

11、的一个最主要指标,代表材料断裂韧度的最低值.在平面应变条件下的断裂判据为K1K1c(3)可以试验测定,对于常用材料,可以在手册上查找.(3)疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率da/dN是应力强度因子范围的函数.da/dN与AK的关系在双对数坐标上是一条S形曲线,见图1所示.(da/dN)一K曲线可以划分为3个区域:I区,区,区.I区为不扩展区,此时AK<A,AK称为裂纹扩展的门槛值;1I区为稳定扩展区,是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要区域;m区为快速扩展区.由于区的裂纹扩展寿命很短,在计算疲劳裂纹扩展寿命时可以将其忽略.在区的疲劳裂纹扩展速率可以用帕里斯公式表示da=C(AK)(4)式中卜应力

12、强度因子范围,AK=Kma一Kc,m材料常数,m为曲线的斜率跞匝基妄C1o一6图1(da/dN)一K曲线(4)剩余寿命估算起重运输机械2008(3)对结构进行有限元分析,找出需要进行疲劳分析的关键位置,确定分析点初始裂纹,临界裂纹尺寸,相应的应力强度因子和材料的疲劳裂纹扩展速率表达式后,即可进行结构剩余寿命分析.初始裂纹尺寸初始裂纹尺寸可按如下方法确定:以无损探伤方法测定检测点的最大缺陷尺寸;当用无损探伤方法未检测出缺陷时,用超声波探伤,一般可取初始裂纹尺寸=2mm.初始裂纹尺寸对结构裂纹扩展寿命有显着影响.不同的值可以在相当范围内改变结构疲劳的寿命.临界裂纹尺寸根据以下原则确定临界裂纹尺寸口

13、:结构净截面应力应小于或等于强度极限6rb;结构应力强度因子AK应小于快速扩展区起点的应力强度因子值,实际中,可以用K的下限值代替区的应力强度因子.按照上述条件确定的较小裂纹尺寸即为临界裂纹尺寸口.计算结构净截面应力时,需要考虑一定的载荷动力系数.疲劳裂纹扩展寿命估算在脉动循环和其他循环下,均可使用帕里斯公式进行疲劳估算.但对于每种循环,都要使用相应的da/dN表达式,即式(4)中的C,m值随应力比不同而变化.将式(4)积分,得到疲劳裂纹扩展寿命为=(5)若式(1)中F为常数可得口一m/2)一口一m/2):1m/2CAo”(6)(一)()霄,对港机结构使用的材料,式中m一般取3.根据港口机械结

14、构常用材料(Q235,Q345)的特性,在考虑当前结构缺陷的类型,尺寸和位置,结构和焊缝的几何形状和尺寸,载荷引起的应力以及残余应力的基础上,可以进行基于疲劳裂纹扩展寿命计算的结构疲劳寿命分析.根据应力和疲劳强度数据的分散性质,选择合适的分布曲线(如正态分布),应用概率统计理论,进行疲劳寿命可靠性分析,可以把破坏概率控制在一定范围内.疲劳可靠性分析是概率统计一3一方法对疲劳分析方法必要的补充.5结束语4基于缺陷探伤为基础的结构疲劳寿命分析系统分析系统组成主要包括:(1)声发射检测设备.用于动态监测,检测材料的开裂和裂纹扩展,以及缺陷的定位;(2)超声波探伤设备.用于结构内部多种缺陷(焊缝,裂纹

15、,夹杂,气孔等)的检测,定位,评估和诊断;(3)应力应变测量设备.用于金属结构应力应变的动态监测和测量;(4)疲劳寿命分析与评估软件.采用基于断裂力学为理论基础的疲劳寿命分析方法,进行港口结构疲劳寿命估算与安全可靠性概率分析,其软件分析系统模块组成见图2.确定性分析表面缺陷II埋藏缺陷主程序I坚奎坌堑l表面缺陷II埋藏缺陷表面lJ表面ll埋藏lJ埋藏lI表面lJ表面ll埋藏ll埋藏缺陷II缺陷Il缺陷II缺陷ll缺陷II缺陷lJ缺陷ll缺陷静载I疲劳II静载Il疲劳lI静载II疲劳lI静载lI疲劳下确Il裁荷ll下确lI载荷Il下概II载荷lJ下概lI载荷定性II确定II定性ll确定Il率分l

16、l概率lI率分Il概率分析lI性分析l1分析II性分析II析lJ分析ll析lJ分析图2结构疲劳寿命分析与评估系统模块简图应用本文结构疲劳寿命分析系统,结合有限元计算确定疲劳破坏关键位置,进行结构缺陷探伤(确定初始裂纹),动应力检测(确定应力谱),可以准确地评定结构疲劳寿命,确定合理的安全检验周期(一般检修周期小于或等于剩余寿命的1/2),保证港口装卸设备的安全,有效运营.中联牌平头塔式起重机安装调功率大,回转平稳,抗风性能强,销轴连接,不仅外形美观,而且迎理,塔机运行更安全可靠;小车吊可靠.4由于名义应力法是以结构材料内没有缺陷和裂纹为前提的,而实际结构中(特别是已经使用较长时问的旧设备)不可

17、避免地存在着宏观或微观裂纹,因而其疲劳计算寿命与实际差异较大.损伤容限法以断裂力学理论为基础,通过检测当前结构初始裂纹,计算结构疲劳裂纹扩展速率,可以准确地分析结构的疲劳剩余寿命,是一种预测结构疲劳寿命的有效方法.参考文献1赵少汴.抗疲劳设计.北京:机械工业出版社,19952舒斌,徐承军.门座起重机金属结构的测试及寿命估算.湖北工学院学报,2002(6):1231253梁岗.抓斗卸船机金属结构疲劳寿命估算.起重运输机械,2002(4):5-84赵虎,刘赤清.港口起重机金属结构安全使用寿命的确定.起重运输机械,2006(8):74765肖汉斌,顾必冲,刘刚.抓斗装卸桥主梁疲劳寿命的估算.起重运输机械,2000(5):456毛文刚,张一辉,王德禹.