2起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件疲勞剩余壽命評(píng)估方法

針對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的主要破壞形式：疲勞斷裂，將橋式起重機(jī)主要承載構(gòu)件——焊接箱形主梁跨中危險(xiǎn)截面作為研究對(duì)象，利用如上所述方法獲取的起重機(jī)當(dāng)量載荷譜，起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)以Miner線性損傷累積理論、線彈性斷裂力學(xué)理論和雨流計(jì)數(shù)法為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用Paris，Eadogan方程，推導(dǎo)疲勞剩余壽命計(jì)算公式，完成通用類橋式起重機(jī)疲勞剩余壽命估算。

2．1 Miner線性損傷累積理論及其應(yīng)力幅等效法

Miner線性累積損傷理論認(rèn)為【7岱J，在疲勞試驗(yàn)中，試件在某一給定的應(yīng)力或應(yīng)變水平作用下，損傷可以認(rèn)為是與應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)成線性累積關(guān)系，當(dāng)損傷累積達(dá)到某一臨界值時(shí)就發(fā)生破壞。鑒于我國(guó)的《鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定與加固技術(shù)規(guī)程》(YB9257．96)和美國(guó)的ASSTHO均采用了Miner理論，本文亦用Miner線性損傷累積理論作為橋式起重機(jī)焊接箱形梁的疲勞壽命估算的基礎(chǔ)，認(rèn)為焊接箱形梁的損傷符合線性累積。Miner線性累積損傷理論認(rèn)為：結(jié)構(gòu)件在仉作用下，每經(jīng)過(guò)一次應(yīng)力循環(huán)后的損傷為1／M；經(jīng)過(guò)刀f次循環(huán)后的損傷值為D，：以；／Ⅳ；，則材料在疲勞破壞時(shí)的總損傷累積值D =?！脾?生M式中m——f級(jí)應(yīng)力循環(huán)作用次數(shù)M——f級(jí)應(yīng)力循環(huán)下的疲勞壽命當(dāng)總損傷累積值D達(dá)到l時(shí)，則表示結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

另外，大量的試驗(yàn)研究表明，變幅載荷能夠用一等效的等幅載荷來(lái)替代，即用一個(gè)等效的等幅載荷試驗(yàn)同樣的試件將得到與變幅載荷作用下相同的壽命，裂紋擴(kuò)展情況也基本相同。等效變換的方法比較多，比如Miner等效法、方均根等效法等，本文采用Miner應(yīng)力幅等效法。應(yīng)力幅等效公式為通過(guò)Miner應(yīng)力幅等效公式結(jié)合Miner疲勞損傷累積理論，可比較準(zhǔn)確的將變幅載荷中的各級(jí)應(yīng)力幅換算成一個(gè)等效應(yīng)力幅，使復(fù)雜計(jì)算簡(jiǎn)化。

2．2基于線彈性斷裂力學(xué)理論的疲勞剩余壽命

計(jì)算公式

大量的結(jié)構(gòu)斷裂事故表明，斷裂與結(jié)構(gòu)的初始缺陷和裂紋有關(guān)。起重機(jī)箱形主梁采用焊接結(jié)構(gòu)，在焊接接頭中不可避免地存在有氣孔、夾渣、未焊透等初始缺陷，而這些焊接缺陷很容易萌生疲勞裂紋，即焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞裂紋均明顯地始發(fā)于初始缺陷，因此起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)可將這些初始缺陷看作是已開(kāi)始的裂紋。斷裂力學(xué)是研究具有初始缺陷的材料和結(jié)構(gòu)在各種使用環(huán)境下裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)和止裂的規(guī)律，并以裂紋的尺寸和裂紋的擴(kuò)展速率為結(jié)構(gòu)損傷的判據(jù)，來(lái)估算疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命。因絕大部分焊接結(jié)構(gòu)件的全部疲勞壽命是由裂紋擴(kuò)展階段決定的【9鋤】，因此，可以應(yīng)用斷裂力學(xué)法計(jì)算起重機(jī)箱形主梁焊接接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，以此作為起重機(jī)的疲勞剩余壽命。

斷裂力學(xué)指出，根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速度山I dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值A(chǔ)K之間的關(guān)系，可將疲勞裂紋擴(kuò)展分為3個(gè)階段，第1階段裂紋不擴(kuò)展階段、第2階段裂紋臨界擴(kuò)展階段，第3階段裂紋快速擴(kuò)展階段。其中第2階段是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，也是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命胡主要組成部分，對(duì)該階段的關(guān)系，通常采用線彈性斷裂力學(xué)公式描述。

將式(4)代入式(3)，積分后可獲得由初始裂紋ao擴(kuò)展到失效裂紋口，所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即金屬構(gòu)件的疲勞剩余壽命

2．3雨流計(jì)數(shù)法

雨流計(jì)數(shù)法是由MATSUISⅪ和ENDO等考慮豫了材料的應(yīng)力一應(yīng)變行為而提出的一種計(jì)數(shù)方法，認(rèn)為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，并且其塑性性質(zhì)表現(xiàn)為應(yīng)力一應(yīng)變的遲滯回線，因而假定一個(gè)大的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)對(duì)材料造成的損傷，不受為完成一個(gè)小的載荷循環(huán)所截?cái)嗟挠绊?，由此將?gòu)成較小遲滯回線的載荷循環(huán)從整個(gè)載荷循環(huán)中提取出來(lái)，其計(jì)數(shù)結(jié)果與材料的“記憶”特性相一致。因此，雨流計(jì)數(shù)法已成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)方法，有關(guān)該方法的詳細(xì)論述可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3工程實(shí)例

以VC++6．0為軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)通用橋式起重機(jī)當(dāng)量載荷譜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取機(jī)制及其疲勞剩余壽命計(jì)算軟件。

3．1評(píng)估對(duì)象

以某企業(yè)于2006年生產(chǎn)的75／30 t、跨度28．5 m的通用橋式起重機(jī)為評(píng)估對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)如下：工作級(jí)別A6，輪距4．5 m，起升高度14 m，起升速度1／9 m／min，大車速度為50 rn／min，小車速度為20 rn／min，上(下)蓋板厚×長(zhǎng)為18 111111×800 mm，腹板厚×高8 mmx2 100 ITlm，軌道型號(hào)QU80。

3．2參數(shù)設(shè)置

C與以是與試驗(yàn)條件有關(guān)的材料常數(shù)，可以通第1I階段(裂紋臨界擴(kuò)展階段)以及第1II階段(裂紋快過(guò)試驗(yàn)測(cè)出。對(duì)于大多數(shù)工程常用的金屬材料，速擴(kuò)展階段)。其中第lI階段是疲勞裂紋擴(kuò)展的主要甩=2,--．,41n1,根據(jù)試驗(yàn)，起重機(jī)焊接箱形梁采用Q235紋的起裂長(zhǎng)度，其值約在O．5～2mill范圍內(nèi)【12】，這里取0．5mrll。失效裂紋尺寸，，的取值由裂紋處的應(yīng)力強(qiáng)度因子以及材料的斷裂韌度決定，根據(jù)相關(guān)起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)分析和文獻(xiàn)【15-16]，并經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，，，=80～100mm所得的疲勞壽命相差不大，考慮到額定起升載荷為75 t的橋式起重機(jī)實(shí)際工作狀況中的應(yīng)力范圍，取0=90mm。

3．3疲勞剩余壽命計(jì)算

應(yīng)用上文所述的起重機(jī)疲勞載荷譜獲取方法獲取樣機(jī)的當(dāng)量載荷譜，如表2所示，將其轉(zhuǎn)化為主梁跨中危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)點(diǎn)處的疲勞應(yīng)力譜；用雨流計(jì)數(shù)法從疲勞應(yīng)力譜中提取各級(jí)應(yīng)力幅、各級(jí)應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)及總循環(huán)次數(shù)；根據(jù)Miner疲勞損傷應(yīng)力幅等效公式計(jì)算出該疲勞應(yīng)力譜的等效應(yīng)力幅仃。；將等效應(yīng)力幅值仃。代入金屬構(gòu)件疲勞剩余壽命的計(jì)算公式，即可估算出起重機(jī)主梁的疲勞剩余壽命。為進(jìn)一步驗(yàn)證所述方法的有效性，對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行了為期50 d的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤實(shí)測(cè)。相關(guān)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

剩余壽命35．6年的相對(duì)誤差不超過(guò)10％，說(shuō)明應(yīng)用本文所述方法計(jì)算起重機(jī)的疲勞剩余壽命是可行和有效的。

4結(jié)論

(1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)量載荷譜的起重機(jī)疲勞剩余壽命估算方法，是針對(duì)起重機(jī)使用工況高度隨機(jī)性和不確定性而提出的有別于傳統(tǒng)試驗(yàn)和模擬仿真的一種估算起重機(jī)疲勞剩余壽命的創(chuàng)新思想。

(2)利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)可快速獲取該類型起重機(jī)的相當(dāng)于實(shí)際載荷譜的當(dāng)量載荷譜及估算其主梁的疲勞剩余壽命，大大節(jié)省起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的煩瑣過(guò)程和大量投入，實(shí)現(xiàn)獲取當(dāng)量載荷譜方便及能準(zhǔn)確估算起重機(jī)主梁疲勞剩余壽命的目的。

(3)應(yīng)用本文方法與實(shí)測(cè)應(yīng)力譜計(jì)算的疲勞剩余壽命相比相對(duì)誤差不超過(guò)lo％，在工程上可以接受，表明本方法是可行和有效的。