探究起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的進(jìn)展

吳亢

摘要：起重機(jī)在使用的過程中，由于受到各種因素的影響，起重機(jī)的疲勞度將會受到嚴(yán)重的破壞，這嚴(yán)重地影響著起重機(jī)的安全使用，本文對起重機(jī)的疲勞斷裂進(jìn)行了分析，總結(jié)了當(dāng)前發(fā)展的狀況。

關(guān)鍵詞 起重機(jī)械；疲勞；可靠性

1.引言

起重機(jī)械已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要運(yùn)輸設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用于各種物料的運(yùn)輸作業(yè)中，從而極大減輕了體力勞動強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率，起重機(jī)的吊運(yùn)物是多種多樣的，載荷是變化的，其作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜[1]，在使用壽命內(nèi)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在數(shù)百萬次甚至千萬次以上，實(shí)踐證明，鋼材在連續(xù)重復(fù)的變化載荷的作用下，起重機(jī)械的疲勞極限是不可能超過強(qiáng)度極限，甚至低于屈服強(qiáng)度，也有可能發(fā)生破壞，因此，起重機(jī)械的主要受力結(jié)構(gòu)件中，應(yīng)力集中程度較高的部位的疲勞強(qiáng)度將會受到破壞，這將導(dǎo)致在起重機(jī)械的使用過程中存在疲勞失效的危險。

2.起重機(jī)械的疲勞斷裂

起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的重要組成部分，承受著起重機(jī)的各種載荷和自重，且金屬結(jié)構(gòu)通常是在循環(huán)載荷或隨機(jī)載荷作用下工作，起重機(jī)械的各種部件中，最常見的破壞形式就是疲勞斷裂。疲勞的破壞機(jī)理，簡而言之為在連續(xù)反復(fù)載荷作用下，首先出現(xiàn)微觀裂紋，然后在交變載荷的作用下出現(xiàn)裂縫，裂縫不斷擴(kuò)展，直到突然破壞或脆性斷裂。

疲勞只有在交變載荷的作用下才會發(fā)生。在交變載荷的反復(fù)作用下，某些點(diǎn)處首先被破壞，長時間的使用后，形成宏觀裂縫，裂縫不斷的擴(kuò)展，直到臨界狀態(tài)而發(fā)生完全斷裂。起重機(jī)械在發(fā)生疲勞斷裂的過程中經(jīng)歷了3個階段，即裂紋的產(chǎn)生、裂紋的擴(kuò)展和斷裂階段。裂紋失穩(wěn)斷裂階段裂紋的擴(kuò)展比較快，對壽命的影響相對而言較小，可以忽略掉，因此疲勞裂紋總壽命包括裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分[2]。

疲勞斷裂的危害是非常大的，與靜力所造成的破壞有著極大的不同。疲勞斷裂破壞的發(fā)生通常比較突然，而且應(yīng)力相對較小，所以疲勞斷裂破壞一旦發(fā)生將會造成重大事故，尤其是已經(jīng)服役多年的起重機(jī)械。因此，對起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性的分析，對疲勞壽命的評估是非常必要的，這對起重機(jī)械的安全使用具有非常重要的意義。

3.起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的發(fā)展現(xiàn)狀

起重機(jī)械的疲勞斷裂，是損傷長期積累的結(jié)果，一般在發(fā)生疲勞斷裂之前，并不會有明顯的變形，很難發(fā)現(xiàn)損傷的存在，因此疲勞斷裂的發(fā)生具有突然性，其后果通常也將是災(zāi)難性的。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，起重機(jī)械的應(yīng)用也十分廣泛，但是所發(fā)生的事故率也在不斷的上升。而由于起重機(jī)械疲勞斷裂所引起的事故已經(jīng)占全部工業(yè)事故的13%左右。由此可見，研究起重機(jī)械的疲勞斷裂可靠性，估算出在用起重機(jī)械的疲勞壽命，對防止起重機(jī)械疲勞斷裂事故的發(fā)生起著積極地作用[3]。

疲勞的研究最早是在19世紀(jì)初開始于德國，經(jīng)過幾代人的不斷努力，發(fā)展至今，疲勞壽命評估已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中。1961年P(guān)aris公式的提出，成為了估算裂紋擴(kuò)展壽命的有力工具，其后斷裂力學(xué)快速發(fā)展，尤其以線彈性斷裂力學(xué)發(fā)展較為成熟，為研究疲勞斷裂可靠性提供了理論基礎(chǔ)。

相對于國外，我國對疲勞的研究起步比較晚，開始于20世紀(jì)50年代，而且由于基礎(chǔ)較差而發(fā)展較慢，研究水平相對落后。1978年疲勞會議的召開極大的推動了疲勞理論的快速發(fā)展。

當(dāng)前用于疲勞壽命評估的計算方法主要包括名義應(yīng)力法、斷裂力學(xué)法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和計算機(jī)仿真分析法。

名義應(yīng)力法是以金屬的S-N曲線為理論基礎(chǔ)，最早應(yīng)用于航空、起重機(jī)械、橋梁等行業(yè)。該方法計算簡單，發(fā)展成熟，有可借鑒經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，但是這種方法忽略了缺陷根部塑性變形和加載順序的影響，存在一定的經(jīng)驗(yàn)性和隨意性，估算結(jié)果誤差太大。

斷裂力學(xué)法解決了名義應(yīng)力法的缺陷，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)對裂紋擴(kuò)展進(jìn)行評估。該方法可描述裂紋發(fā)展的過程，從理論上而言，比常規(guī)方法更加合理，但是存在經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)不精確的缺點(diǎn)，而且因?yàn)閷?shí)際應(yīng)力復(fù)雜、裂紋難以判定等因素使得計算誤差比較大。

局部應(yīng)力應(yīng)變法是當(dāng)前最有效的壽命評估方法，當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用到航空、焊接結(jié)構(gòu)、起重機(jī)械等的疲勞壽命評估中。但是局部應(yīng)力應(yīng)變法不適用于高強(qiáng)度疲勞計算，材料參數(shù)的離散和計算公式的經(jīng)驗(yàn)性使得計算精度變差。

近幾年來，國內(nèi)外研究者一直在努力尋求更加準(zhǔn)確的概率可靠性分析方法，并把一些新的理論和新的方法引入到起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析中，為起重機(jī)械的疲勞斷裂應(yīng)用提供了許多新的估算方法，從而逐步發(fā)展成了隨機(jī)有限元、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型等 [4]。

隨機(jī)有限元法是近20多年才發(fā)展起來的一種工程數(shù)值計算方法，由于該方法把隨機(jī)參數(shù)的影響考慮在內(nèi)，被廣泛應(yīng)用于計算金屬結(jié)構(gòu)的可靠度、動力問題、非線性問題及復(fù)合材料力學(xué)等。隨著起重機(jī)械疲勞斷裂理論的不斷發(fā)展，該方法也被逐步的應(yīng)用于起重機(jī)械的疲勞斷裂可靠性分析方面。因?yàn)槠鹬貦C(jī)械的工作環(huán)境復(fù)雜，受到許多不確定因素的影響，局部應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)也是隨機(jī)的，隨機(jī)有限元法是隨機(jī)結(jié)構(gòu)分析最有力的工具。

在疲勞斷裂可靠性進(jìn)行分析的過程中，工程實(shí)際問題已經(jīng)很難利用顯式極限狀態(tài)方程失效概率獲得解決，為此疲勞斷裂可靠性分析研究者發(fā)展了響應(yīng)面法，雖然對隱式極限狀態(tài)方程的設(shè)計點(diǎn)有一定的逼近能力，但是其固定不可調(diào)的函數(shù)形式影響了其普遍適用性。研究者開始利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對函數(shù)近似的普遍適應(yīng)性，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)近似代替固定函數(shù)形式的傳統(tǒng)響應(yīng)面法，從而提高了解決非線性隱式極限狀態(tài)方程疲勞斷裂可靠性分析問題的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法不僅思路簡單，易于編程，而且計算精度有較大幅度提高。

因此，可以說神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法是隱式極限狀態(tài)方程疲勞可靠性分析的很好的方法。

4.總結(jié)

本文對當(dāng)前常用的疲勞壽命評估的方法進(jìn)行了分析，總結(jié)了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對當(dāng)前起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的發(fā)展情況做了研究，為疲勞斷裂可靠性的分析指明了方向，從而減少了起重機(jī)械事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]王福綿.起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn)[M].北京：學(xué)苑出版社，2000.12

[2]張新峰.起重機(jī)桁架臂疲勞全壽命評估與分析[D].大連，2013.6

[3]陳衛(wèi)國.試論起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性的新進(jìn)展[J].石家莊：科技風(fēng)，2012.11.15

[4]鄭嚴(yán)，程文明，程躍.起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展[J].北京：起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（10）