桥式起重机箱形主梁结构疲劳性能分析

桥式起重机箱形主梁结构疲劳性能分析

【摘要】：文章以现代疲劳理论为基础，基于疲劳有限元分析软件MSC.FATIGUE对桥式起重机箱形主梁结构进行了疲劳性能分析，得出了无缺陷和正常使用的起重机箱形主梁在近似实际情况下整体结构的疲劳寿命分布云图，直观显示出箱形主梁结构各个部分的疲劳寿命。

【关键词】：桥式起重机; 箱形主梁; 疲劳性能; MSC.FATIGUE软件

1. 前言

桥式起重机箱形主梁是整机的主要结构部件，是一种典型的焊接钢结构。由于母材和焊缝不可避免地存在着各种缺陷，在起重机服役期间，主梁开焊、开裂甚至断裂的现象时有发生。桥式起重机的使用寿命很大程度上取决于主梁的寿命。起重机的工作特点决定了随机载荷作用下的疲劳破坏是此类结构失效的主要形式[1]。但是，疲劳失效前主梁结构往往不会出现明显的宏观塑性变形，因而破坏十分突然，经常造成灾难性的事故[2]。有关文献规定：”起重机主要受力构件如主梁、支腿等，有两处以上开焊，其开焊长度超过100mm，经补强后仍发生开焊者，应报废[3]”。而主梁的报废则意味着整机寿命的终结，往往造成几十甚至几百万元的损失，其代价是高昂的。所以，对主梁结构进行疲劳分析，对于指导桥式起重机的设计、制造、使用和维护，预防疲劳断裂事故的发生具有重要意义。

文章以现代疲劳理论为基础，以先进的计算机软件为工具，分析主梁在近似实际工作条件下的寿命，将主梁的疲劳寿命分布直观地呈现在人们而前。让设计者更精确、更方便地评估主梁设计方案的疲劳性能，有利于改善产品性能，缩短开发周期，降低开发成本。

2. 桥式起重机箱形主梁结构疲劳破坏特性

桥式起重机主梁是典型的焊接结构，其疲劳破坏有以下特点：

（1） 开裂起源于最大交变应力截面及附近的焊缝，对于拉压或弯曲应力，裂纹常从焊缝处开始，沿垂直于主应力的方向往母材扩展。

（2） 在循环应力(最大应力)远低于材料的强度极限，甚至远小于材料屈服极限的情况下，疲劳破坏也可能发生，疲劳断裂在宏观上表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂，即疲劳断裂一般表现为低应力脆断。

（3） 影响结构疲劳强度的主要因素是材料种类、试件尺寸、最大应力和有无横向支撑，而是应力幅值、连接形式和初始裂纹。

具体的对于焊接箱形梁来说，疲劳裂纹主要起源于横向加筋板与腹板焊缝的焊趾上，此后一般以半椭圆表明裂纹的形式向内扩展，当裂纹穿透试件厚度后便快速扩展，最后发生失稳断裂；疲劳破坏还可能发生在拉应力最大的跨中腹扳与下盖扳的纵向连续贴角焊缝上，此时裂纹从焊缝内圆形缺陷的圆心开始向外扩展，直至穿透下盖板外表而纤维之后变为三端穿透裂纹。另外，桥式起重机主梁端部拐角处出现裂纹的可能性也很大。

3. 疲劳累积损伤理论

疲劳破坏是一个累积损伤的过程，累积损伤理论则是在疲劳试验和理论分析的基础上寻找出材料的累积损伤规律，亦即揭示每一次载荷循环与该循环造成的材料损伤之间的相互关系。按照疲劳累积损伤规律，目前所提出的疲劳累积损伤理论大致可归纳为以下三类：

3.1 线性疲劳累积损伤理论

线性累积损伤理论认为每个应力循环下疲劳损伤是的，总损伤等于每个循环下的损伤之和，当总损伤达到某一数值对，构件即发生破坏，如工程中常用的Miner线性累积损伤理论认为，损伤与应力循环数成线性关系，当总损伤度时，材料即发生疲劳。

3.2 双线性疲劳累积损伤理论

上面的线性疲劳累积损伤理论，没有考虑载荷顺序对疲劳损伤的影响。主要是因为Miner线性累积损伤理论无法将疲劳过程中的裂纹形成和裂纹扩展两个阶段区分开来。于是Grove和Manson提出了双线性疲劳累积损伤理论，则将疲劳过程中的裂纹形成和裂纹扩展分成两个阶段求损伤。并用两条直线分别表示这两个阶段。

3.3 非线性疲劳累积损伤理论

非线性疲劳累积损伤理论则认为材料在各个应力循环下的损伤不能简单地相加，应考虑载荷间的相互作用。其中最有代表性的是科尔顿和多兰(Carten-Dolan)理论。该理论认为在构件的表面的许多地方可能出现损伤，损伤核的数目由材料所承受的应力水平决定，由此导出的多级应力循环情况下的疲劳寿命公式。

4. 桥式起重机箱形主梁结构疲劳实例分析

基于上述理论，利用有限元疲劳分析软件MSC.FATIGUE的全寿命分析模块，对桥式起重机进行箱形主梁进行疲劳寿命分析，获得主梁理想寿命情况，讨论有限单元法疲劳设计在工程实践中的运用。

4.1 箱形主梁模型的建立

由于起重机结构庞大，桥架结构基本上是对称的，而重点研究对象也只是主梁上的局部结构的疲劳强度，因此文章只取一根主梁进行有限元分析。为了建模的方便，去掉对起重机应力影响很小的主梁腹板内和轨道下的小加劲板。

主梁材料的弹性模量为2.07e5MPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。

根据起重机主梁的结构特点，主梁上、下盖板，主副腹板和隔板用SHELL单元模拟，用Quard4来模拟薄板结构，根据板件的实际厚度定义与之相对应的SHELL单元的厚度。而对于L型角钢考虑用BEAM单元来定义。经过网格划分，最后的有一限元网格如图1所示，共有23060个四边形壳单元和梁单元、56个MPC单元、21821个节点。

4.2 载荷信息

（1） 计算载荷

作用在双梁小车桥式起重机金属结构上的载荷，有自重载荷、活动载荷、水平惯性载荷和大车歪斜侧向载荷。由于作用在起重机上的外载荷种类很多，而且变化很大，因此设计计算时只能选择与起重机结构破坏形式有关的、具有典型性的载荷为依据，这种载荷通常称为计算载荷。

经计算，对于文章的研究对象我们考虑以下载荷：

小车垂直轮压FY为67921.74N；小车制动惯性载荷FX为2260.71N；大车垂直方向加速度PY为10.79m/s2；大车运行机构G1为207.34N；驾驶室G2为10985.8N。

（2） 载荷组合

按工况的不同载荷分别以不同的组合形式出现，主梁结构受力示意图如图2所示。

考虑到桥式起重机的实际工作情况，在此分五个工况：

1）空小车位于主梁跨端静止不动；2）大车制动，小车位于主梁跨另一端，满载下降制动；3）大车制动，小车位于主梁跨中，满载下降制动；4）大车制动，小车位于主梁全长四分之一处，满载下降制动；5）大车制动，小车位于主梁全长五分之二处，满载下降制动。

（3） 载荷谱

将载荷谱转化为能够被MSC.FATIGUE软件所应用的应力谱的方法主要有以下两种：

1）将载荷谱加到有限元模型上，用通用的有限元计算软件对其进行瞬态分析，这样得到的结果直接就是应力谱，并且能够直接输入MSC.FATIGUE软件中。

2）对模型进行静力分析，得到静应力值。在向MSC.FATIGUE软件读入静应力值后，再向其输入载荷时间历程、功率谱密度函数(PSDF)或者某种形式的计数结果(如雨流矩阵)，软件将自动计算出应力谱。

从理论上讲，以上两种方法都是可行的，但是，在实际操作过程中，由于在第一方法中输入到有限元模型上的载荷谱很长，这样计算量就非常大，计算时间特别长，结果文件也非常大，对后面的应力谱输入影响也很大，所以文章将采用第二种方法。

桥式起重机结构承受随机疲劳载荷，随机载荷谱可在现场实测或计算机动态仿真得到起重机结构实际的应力时间历程和应力幅值分布函数后，再应用Monte-Carlo模拟法和雨流计数法则通过循环计数得到。根据现有的条件和数据，文章采用厂方提供的数据表1，以每月为一个循环，把起重机承受的随机载荷编制成符合实际情况的载荷块谱图3所示。

4.3 计算结果与分析

将前面得到的桥式起重机结构应力值、变幅载荷时间曲线、和材料疲劳属性输入MSC.FATIGUE软件，得到箱形主梁结构在各个工况下的疲劳寿命云图，如图4~7所示。

从以上计算结果可知：该类型桥式起重机结构的最小寿命为107.38月，则该类型桥式起重机在正常的工作环境下为无限寿命；该类型桥式起重机端部拐角处和小窗口下部拐角处的疲劳寿命相对比较短。但如果以30年为该类型桥式起重机的疲劳寿命设计标准，则满足设计要求。

5. 结束语

文章以桥式起重机箱形主梁结构为例，通过查阅手册得到该类型桥式起重机所用材料的疲劳属性，根据厂方提供的数据和调研情况得出载荷时间历程，再利用前而得到的静应力值，用疲劳有限元分析软件MSC.FATIGUE对其进行了疲劳寿命分析，得出了无缺陷和正常使用的起重机主梁在近似实际情况下整体结构的疲劳寿命分布云图，直观显示出箱形主梁结构各个部分的疲劳寿命。得知该桥式起重机基本上工作在无限寿命阶段，当然也就不会有疲劳损伤，所以该桥式起重机在正常的使用条件下30年内不会有断裂事故发生，属于无限寿命设计。

参考文献

[1] 赵永翔, 张质文. 起重机金属结构的开裂失效. 起重运输机械, 1995,（7）：3-7.

[2] 陈传尧，高大兴. 疲劳断裂基础. 武汉：华中理工大学出版社, 1991.

[3] 林茂松，程文明, 等. 焊接构件疲劳可靠性计算. 起重运输机械，2000 (3).

[4] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析. 北京：国防工业出版社, 2003.