基于nSoft的塔機(jī)起重臂疲勞壽命分析

■張宏偉，趙巧絨 ■西京學(xué)院，陜西 西安 710123

塔機(jī)因具有起升幅度高、起重力矩大、工作幅度廣、裝拆運(yùn)輸方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛使用在高層建筑施工中。隨著塔機(jī)利用率頻繁、工作強(qiáng)度增高及作業(yè)持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)等因素作用，塔機(jī)易產(chǎn)生疲勞破壞。文獻(xiàn)［1］通過(guò)對(duì)塔機(jī)事故進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，其中塔機(jī)起重臂斷裂最為嚴(yán)重。文獻(xiàn)［2］以QTZ63塔機(jī)為例，根據(jù)實(shí)測(cè)載荷譜輸入疲勞分析軟件，得到塔機(jī)易發(fā)生疲勞破壞的位置。文獻(xiàn)［3［根據(jù)初始裂紋形成數(shù)值不同，用斷裂力學(xué)和連續(xù)損傷力學(xué)理論來(lái)估算疲勞壽命。

為全面快速分析塔機(jī)起重臂的疲勞壽命，本文以QTZ4510塔機(jī)為研究對(duì)象，在靜應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，利用雨流計(jì)數(shù)法［4］原理獲取載荷譜，并借助計(jì)算機(jī)專(zhuān)軟件，分析塔機(jī)的疲勞壽命，為塔機(jī)壽命預(yù)測(cè)、評(píng)估及設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

1 有限元應(yīng)力分析

1.1 建立塔機(jī)起重臂有限元模型

某工地用QTZ4510塔式，應(yīng)用ANSYS軟件中APDL參數(shù)化語(yǔ)言快速對(duì)塔機(jī)進(jìn)行整體建模。因塔機(jī)起重臂為典型的桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)造復(fù)雜，所以對(duì)塔機(jī)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，各標(biāo)準(zhǔn)臂節(jié)之間、起重臂與拉桿之間采用剛性連接。建模次序依次為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、塔帽、起重臂臂節(jié)、平衡臂、拉桿。APDL參數(shù)化語(yǔ)言，采用相對(duì)坐標(biāo)系建立相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后定義截面類(lèi)型和材料密度，劃分網(wǎng)格，最后顯示塔機(jī)起重臂單元類(lèi)型，建立塔機(jī)模型如圖1所示。

圖1 塔機(jī)有限元模型

1.2 塔機(jī)靜應(yīng)力分析

塔機(jī)因起升和變幅運(yùn)動(dòng)為動(dòng)態(tài)工況外，其余均可理解在穩(wěn)態(tài)下工作，如自重、風(fēng)載離心力等均做靜態(tài)載荷處理，所以對(duì)塔機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)上述塔機(jī)模型，其中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)484個(gè)，1130個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)實(shí)體單元，2個(gè)殼單元。QTZ4510塔機(jī)的起重臂有9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，總長(zhǎng)45m，建立臂節(jié)跨度30個(gè)，將載荷依次施加在每跨節(jié)點(diǎn)上，共得31個(gè)典型工況。再根據(jù)塔機(jī)起重性能曲線(xiàn)模擬可求得塔機(jī)各工況下的應(yīng)力。各跨點(diǎn)靜態(tài)下的最大應(yīng)力值如表1所示。

表1 各跨點(diǎn)靜態(tài)下的最大應(yīng)力值

根據(jù)表2可知，塔機(jī)起重臂主要采用Q235鋼焊接而成，其屈服極限值為235MPa，跨點(diǎn)的最大應(yīng)力值為168MPa，在材料的許用應(yīng)力值范圍之內(nèi)，因此該型號(hào)塔機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。

2 塔機(jī)起重臂疲勞壽命分析

2.1 nsoft軟件

nSoft軟件是英國(guó)nCode軟件公司主導(dǎo)的疲勞分析軟件，其中的FE－fatigue模塊基于應(yīng)力疲勞分析和線(xiàn)性損傷累加理論進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。應(yīng)力疲勞分析法適合塔機(jī)的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)，在循環(huán)載荷作用下，材料承受的應(yīng)力和頻率之間的關(guān)系式可用S－N曲線(xiàn)描述［5］

式中:m、C—材料常數(shù)。

線(xiàn)性損傷理論可計(jì)算構(gòu)件在應(yīng)力水平σi作用下，經(jīng)過(guò)ni次循環(huán)的損傷為

破壞準(zhǔn)則為

式中:Ni—在σi作用下循環(huán)到破壞的壽命，可由材料的S－N曲線(xiàn)確定;

Di—在σi作用下?lián)p傷變量，D=0截面無(wú)損傷;D=1截面完全損傷。

本文將塔機(jī)有限元分析結(jié)果保存為taji1文件，導(dǎo)入nSoft軟件中進(jìn)載荷譜的編制，。

2.2 塔機(jī)起重臂載荷譜編制

塔機(jī)工作情況因復(fù)雜承受隨機(jī)載荷作用，采用傳統(tǒng)貼應(yīng)變片實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以本文采用雨流計(jì)數(shù)法原理，通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)塔機(jī)各工況下起重臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行虛擬加載，得到塔機(jī)的靜強(qiáng)度分析，結(jié)合塔機(jī)運(yùn)行頻率［6］，得到塔機(jī)的載荷時(shí)間歷程，再通過(guò)疲勞分析軟件進(jìn)行處理即得到塔機(jī)的載荷譜。如圖2所示

圖2 塔機(jī)疲勞載荷譜

2.3 塔機(jī)起重臂疲勞壽命預(yù)測(cè)

QTZ4510塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)材料主要為Q235，查《機(jī)械工程材料性能手冊(cè)》屈服強(qiáng)度 σs=235MPa，破松比 μ=0.3，彈性模量 E=1×105MPa。根據(jù)材料的力學(xué)性能，近似估算出塔機(jī)起重臂的S－N曲線(xiàn)，對(duì)塔機(jī)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 塔機(jī)疲勞壽命結(jié)果圖

由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，損傷變量值為D=0.06，該塔機(jī)壽命估算為17年，滿(mǎn)足塔機(jī)金屬構(gòu)件設(shè)計(jì)壽命規(guī)范值15－25年，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔機(jī)起重臂模型簡(jiǎn)化，將載荷施加在起重臂各跨節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行靜力分析，獲得塔機(jī)載荷時(shí)間歷程，并利用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)出塔機(jī)載荷譜，應(yīng)用疲勞分析軟件nSoft進(jìn)行快速壽命預(yù)測(cè)。本文將APDL有限元快速建模、靜力學(xué)分析和壽命預(yù)測(cè)計(jì)算等有機(jī)結(jié)合，用于快速估算塔機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命，為塔機(jī)的疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考依據(jù)。

［1］候沂，李世六，王進(jìn)等.塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究［J］土木建筑與環(huán)境工程，2009(31):24－30.

［2］趙威威，白朝陽(yáng)，曹旭陽(yáng)等.在役塔式起重機(jī)疲勞壽命分析［J］.建筑機(jī)械，2013(1):72－77.

［3］胡健峰，朱小豐，鐘敏等.塔式起重機(jī)起重臂疲勞損傷壽命實(shí)驗(yàn)研究［J］.建筑機(jī)械化，2014(02):55－57.

［4］曾春華，鄒十踐.疲勞分析方法及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

［5］楊衛(wèi)，馮西橋，秦慶華.損傷、斷裂與微納米力學(xué)進(jìn)展［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［6］李振華.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)與疲勞可靠性研究［D］.西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.