基于断裂力学的通用桥式起重机剩余寿命数值仿真研究

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随着“中国制造2025”战略的全面实施,中国的装备制造业不断腾飞,随之而来的就是装备的高端化、智能化,起重机械作为其重要的组成部分不可缺席。回顾中国的工业发展历程,起重机作为“巨人”已经替代人工服役多年。自从机械设备的出现开始,疲劳问题一直伴随左右。由机械故障引发的机械事故层出不穷,每年国内外的起重机事故频发并且呈现不断攀升的趋势,通用桥式起重机事故占比是最大的。焊接金属桥架是通用桥式起重机主要的承载结构,对其最大威胁的因素是以疲劳裂纹扩展为特征的疲劳破坏。它是由其间歇、随机的工作特性使得裂纹尖端承受交变的循环应力导致。金属结构出现裂纹后,是存在安全寿命的,意味着在交变载荷作用下经历的循环次数是有限的,一旦超过其寿命很可能造成严重后果。我们习惯性将结构从初始裂纹到临界裂纹(失效断裂)所经历的循环次数称之为疲劳剩余寿命。对在服役的通用桥式起重机进行疲劳寿命评估可以预防事故的发生,同时对将来的起重机设计、制造提供有效的数据参考和指导。通常采用断裂力学的公式法对通用桥式起重机金属结构的寿命评估,存在一定的局限性。本文将采用数值仿真计算方法和疲劳应力谱相结合的方法,对通用桥式起重机金属结构进行寿命评估。在室温环境下,采用增K试验方法对6组Q235B钢CT试件进行疲劳裂纹扩展试验,获得对应试件的疲劳裂纹扩展寿命试验数据及其对应点的da d N和(35)K数据,采用最小二乘法线性回归拟合出Paris公式的裂纹扩展模型参数C和m。以某企业正在服役的通用桥式起重机为研究对象,建立有限元模型,一方面确定主梁危险截面中的疲劳危险点,另一方面对现场实测起升循环数据统计分析获得样本载荷谱,仿真获得疲劳危险点的样本应力谱。通用桥式起重机在实际工作中的载荷是随机的,Paris公式存在一定的局限性,只能构建恒幅应力下的寿命数值仿真模型,将模型加以改进得到随机应力下的寿命数值仿真模型。周期样本循环法:将疲劳危险点的样本应力―时间历程周期性循环作为寿命评估所需的应力谱。在随机应力―时间历程作用下,设置其它相关参数,数值仿真裂纹扩展过程,获得从初始裂纹到临界裂纹的循环次数,即为预测对象的疲劳剩余寿命。
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