基于線性累積損傷的金屬結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞分析技術(shù)*

何山 鄧賢遠(yuǎn) 江愛(ài)華 黃國(guó)健

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

基于線性累積損傷的金屬結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞分析技術(shù)*

何山 鄧賢遠(yuǎn) 江愛(ài)華 黃國(guó)健

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

基于線性累積損傷理論，針對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種可計(jì)算全場(chǎng)疲勞并以云圖方式顯示的技術(shù)方法，以ANSYS有限元軟件為基礎(chǔ)，利用APDL與VC++結(jié)合，自動(dòng)控制其求解過(guò)程。解決長(zhǎng)期以來(lái)疲勞校驗(yàn)只能針對(duì)結(jié)構(gòu)某個(gè)局部而不能整體分析的問(wèn)題。

線性累積損傷；金屬結(jié)構(gòu)；疲勞

0 引言

金屬結(jié)構(gòu)的疲勞分析理論基礎(chǔ)豐富，如米勒損傷準(zhǔn)則、連續(xù)累積損傷、高周疲勞損傷等[1]，廣泛應(yīng)用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。理論計(jì)算分析具有較高的精度，但實(shí)際應(yīng)用中因計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致經(jīng)常只能對(duì)結(jié)構(gòu)某一局部進(jìn)行疲勞分析[2-4]，并以此結(jié)果作為整個(gè)結(jié)構(gòu)部件的疲勞分析結(jié)果，其邏輯并不嚴(yán)密。設(shè)計(jì)一種具有較高通用性且能保證計(jì)算精度的結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞分析方法，顯得十分重要。本文基于Miner線性累積損傷理論，利用有限元軟件ANSYS的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言APDL與VC++結(jié)合，提出一種適應(yīng)范圍廣、求解精度高的金屬結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞分析計(jì)算方法。

1 Miner線性累積損傷理論

Miner線性累積損傷理論廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的疲勞耐久分析與試驗(yàn)，其認(rèn)為構(gòu)件受到的損傷與其承受的恒幅交變應(yīng)力成線性關(guān)系。根據(jù)英國(guó)道路橋梁標(biāo)準(zhǔn)BS5400，Miner法則如下：

其中：n為設(shè)計(jì)使用壽命，即設(shè)計(jì)使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)上的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；m、k、σ為當(dāng)N=107時(shí)，

20對(duì)應(yīng)于不同焊接形式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，BS5400將焊接結(jié)構(gòu)詳細(xì)分為9個(gè)類別，起重機(jī)結(jié)構(gòu)件以連續(xù)角焊縫為主，屬于D類，其值如表1所示；σr為起重機(jī)結(jié)構(gòu)在一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力幅，即一個(gè)應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差。

表1σr-N 關(guān)系與常量表

2 全場(chǎng)疲勞分析技術(shù)

在保證分析技術(shù)的易用性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍的前提下，設(shè)計(jì)如圖1所示技術(shù)路線。

圖1 全場(chǎng)疲勞分析技術(shù)路線圖

首先，通過(guò)三維建模軟件Solidworks、ProE、UG等建立分析對(duì)象的幾何模型?？紤]到效率與計(jì)算精度，選取板單元SHELL63進(jìn)行有限元分析。板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)，要保證節(jié)點(diǎn)共享，同一位置無(wú)重復(fù)節(jié)點(diǎn)，這對(duì)于ANSYS軟件而言，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。Hypermesh是有效的有限元建模前處理軟件，該軟件劃分網(wǎng)格步驟簡(jiǎn)單，生成的有限元單元質(zhì)量較高。然后，將起重機(jī)的所有工況及對(duì)應(yīng)的加載節(jié)點(diǎn)編號(hào)輸入到開(kāi)發(fā)定制的應(yīng)力軟件中，軟件控制求解過(guò)程，并記錄下各工況對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小，計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力幅σr。最后，通過(guò)式(1)計(jì)算所有單元的疲勞情況，修改ANSYS單元表的方式進(jìn)行疲勞云圖顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于VS2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)全場(chǎng)疲勞分析軟件，軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

分析計(jì)算前，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)使用的材料設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，包括許用應(yīng)力基本值、材料的抗拉強(qiáng)度等。其次，配置ANSYS批處理的運(yùn)行環(huán)境，即ANSYS工作空間。再次，選擇需要分析的有限元模型，模型可以不為參數(shù)化模型，這樣軟件可以適應(yīng)所有以SHELL63單元建立的模型。然后，輸入金屬結(jié)構(gòu)的所有工況，每個(gè)工況包含受力的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和受力大小方向，這里以APDL語(yǔ)言進(jìn)行工況添加，工況應(yīng)盡量具有代表性，以盡可能地接近實(shí)際結(jié)構(gòu)承受的變化載荷為準(zhǔn)。軟件運(yùn)算過(guò)程中，會(huì)提取每一個(gè)工況的應(yīng)力，形成交變應(yīng)力，來(lái)計(jì)算疲勞強(qiáng)度值。因此，工況輸入的準(zhǔn)確性對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度影響較大。最后，軟件開(kāi)始運(yùn)算，并將計(jì)算結(jié)果返回ANSYS內(nèi)存，生成疲勞云圖。軟件的最大特點(diǎn)是不針對(duì)某種特定形式的結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)大部分的結(jié)構(gòu)形式，通用性較強(qiáng)，使用操作方便。

軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中部分技術(shù)細(xì)節(jié)，這里做出一些詳細(xì)說(shuō)明：ANSYS提供了二次開(kāi)發(fā)的軟件接口，通過(guò)命令行的方式啟動(dòng)軟件，啟動(dòng)命令如下：

利用該方法可在計(jì)算機(jī)后臺(tái)進(jìn)行有限元分析，生成相關(guān)結(jié)果，無(wú)需界面操作，適合自動(dòng)化分析場(chǎng)合。

4 案例分析

以1臺(tái)MD100T雙小車(chē)門(mén)式起重機(jī)作為案例，分析某整機(jī)疲勞性能。模型的長(zhǎng)度單位為mm，力的單位為N，應(yīng)力的單位為MPa，位移的單位為mm。疲勞分析考慮結(jié)構(gòu)在3種工況下的應(yīng)力變化對(duì)結(jié)構(gòu)造成的疲勞影響。

工況1：1臺(tái)天車(chē)跨中起吊100噸重物，另一臺(tái)天車(chē)停在主梁最左端，同時(shí)考慮沿大車(chē)軌道方向風(fēng)載。

工況2：2臺(tái)天車(chē)間距30 m同時(shí)起吊100噸+100噸重物，并考慮沿大車(chē)軌道方向風(fēng)載。

工況3：2臺(tái)天車(chē)間距30 m同時(shí)起吊100噸+100噸重物，載荷偏于柔腿一側(cè)，并考慮沿大車(chē)軌道方向風(fēng)載。

門(mén)吊結(jié)構(gòu)有限元模型采用板梁結(jié)合整體建模，采用SHELL63、BEAM188梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模。SHELL63單元適合薄板結(jié)構(gòu)，可承受面載荷，適用于由板材焊接而成的箱型梁結(jié)構(gòu)。BEAM188單元適用于分析細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于Timoshenko梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。BEAM188是三維線性（2節(jié)點(diǎn)）單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。有限元模型如圖3、圖4所示。

經(jīng)過(guò)有限元分析，得到其疲勞云圖如圖5所示，云圖中每一個(gè)點(diǎn)的值由式(1)計(jì)算得到。圖中疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)位于主梁跨中，其值為0.35<1，根據(jù)Miner法則，疲勞驗(yàn)算通過(guò)。

圖3 整機(jī)有限元模型

圖4 板梁結(jié)合局部處理有限元模型

圖5 整機(jī)疲勞云圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于線性累積損傷的金屬結(jié)構(gòu)全場(chǎng)疲勞分析方法，可適用于采用板單元建模的任何結(jié)構(gòu)，具有一定的工程意義。應(yīng)用本方法對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，所得結(jié)果以云圖方式展現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)者能夠以最直觀的方式了解結(jié)構(gòu)的疲勞性能分布狀況，從而進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1] 胡健鋒,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(1):55-57.

[2] 申志剛,吳志生,劉翠榮,等.橋式起重機(jī)主梁疲勞壽命分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(8):67-69.

[3] 徐格寧,左斌.起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞剩余壽命評(píng)估方法研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(3):126-130.

[4] 蔡福海,王欣,羅建國(guó),等.基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的起重機(jī)桁架臂疲勞裂紋形成壽命影響因素分析[J].建筑機(jī)械,2014(3): 79-83.

Metal Structure Fatigue Analysis Technology
Based on the Linear Cumulative Damage

He Shan Deng Xianyuan Jian Aihua Huang Guojian
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

A way to calculate the whole audience fatigue and the cloud display approach is developed to solve the fatigue for crane metal structure characteristics based on linear cumulative damage theory. The specific process is based on ANSYS software by using its APDL with VC ++. The solution process is automatic to solve the linear cumulative damage theory for whole metal structure fatigue analysis and to obtain the structure of audience fatigue cloud.

The Linear Cumulative Damage; Metal Structure; Fatigue

何山，男，1987年生，碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向：起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)技術(shù)研究。Email: heshan321@163.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2015CT09，2015CT02）