起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

趙晉

摘 要：疲勞斷裂可靠性傳統(tǒng)算法被注入了嶄新的數(shù)學(xué)理論，其主要目的在于對起重機械疲勞斷裂可靠性進行更加具體的分析，旨在尋找出其中的新型方法以及新型模型。本篇文章主要就多種可靠性模型進行研究，主要分析了起重機械疲勞斷裂產(chǎn)生的原因、起重機械疲勞斷裂可靠性起重機械疲勞斷裂可靠性的未來發(fā)展，探討了起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展。

關(guān)鍵詞：起重機械；疲勞斷裂可靠性；進展

工作中的起重機械需要在交變應(yīng)力的作用下才能夠正常運行，在其使用年限之內(nèi)，有多達(dá)數(shù)百萬次的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，但是其長度極限往往會大于疲勞極限，所以在應(yīng)用集中度較高的主梁經(jīng)常會因為疲勞而損壞。就目前的社會生產(chǎn)活動來看，不管是起重機械的種類還是數(shù)量都是很大的，并且人們就機械起重制使用安全問題以及產(chǎn)品質(zhì)量都存在著很大的分歧，所以這些問題都直接導(dǎo)致在實際應(yīng)用中的起重機械會因為疲勞使用而產(chǎn)生危險。倘若將無損探傷檢測運用于使用期限較長的起重機械之中，盡管可以減少疲勞事故的發(fā)生，針對較高的檢測成本，經(jīng)濟壓力較大。

一、起重機械疲勞斷裂產(chǎn)生原因

金屬結(jié)構(gòu)疲勞指的就是在一些點位因為承受了數(shù)次的擾動應(yīng)力之后收到顯著的擾動作用而形成裂紋，或者是因為局部永久結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在已經(jīng)完全斷裂的材料中而形成的狀態(tài)。研究疲勞斷裂主因以及發(fā)展過程，主要的目的在于提前預(yù)知金屬結(jié)構(gòu)的壽命，從而能夠更好地保障起重機械的安全性。要想發(fā)生疲勞斷裂的話，就必須承載相應(yīng)的擾動應(yīng)力，在擾動應(yīng)力集中之后，疲勞破壞就逐漸發(fā)生了。疲勞破壞的開始點在于應(yīng)力以及應(yīng)力較高的局部地區(qū)，之后疲勞破壞就逐漸的積累起來，直到破壞產(chǎn)生。那么這就說明疲勞破壞的形成原因可以分為以下幾個方面，首先是形成了微小地平裂縫，其次是這些微小的疲勞裂縫逐漸的擴張直到最終形成失效斷裂[1]。在金屬表面上，承受最大局部應(yīng)力以及最小截面積處的疲勞微裂縫最容易產(chǎn)生，或者是因為一些材料的不同以及內(nèi)部的凹陷而導(dǎo)致強度最小的地方也容易產(chǎn)生一些疲勞微裂縫。只要形成了微裂縫，那么這些裂縫就會在不斷循環(huán)的擾動作用之下順著高剪切應(yīng)力平面以及垂直應(yīng)力的方向逐漸擴展開來。由于局部應(yīng)力集中狀況以及裂縫尖端材料的不同，所以裂縫擴展速率以及方向也會有所不同。一旦疲勞裂紋到達(dá)了臨界長度之后，那么所剩下的金屬截面積將難以承受住所施加的負(fù)荷，因此，最終失效斷裂也就最終形成導(dǎo)致材料失效。在疲勞斷裂階段，擴展中的裂紋速度較快，所以影響壽命的程度較小，甚至可以被忽略掉?？偠灾?，疲勞裂紋總壽命中既有裂紋形成壽命又有裂紋擴展壽命。在疲勞斷裂的力學(xué)理論之中，疲勞裂紋擴展關(guān)鍵區(qū)域在于最小裂紋長度直至臨界裂紋長度的那部分區(qū)域。

二、起重機械疲勞斷裂可靠性分析現(xiàn)狀

就目前的經(jīng)濟情況來看，社會經(jīng)濟發(fā)展離不開起重機械設(shè)備的發(fā)展，尤其是近幾十年我國經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，使用起重機械的規(guī)模更加廣闊，因此制造、維修、安裝。保養(yǎng)起重機械的相關(guān)單位也變得更多了，不過因為在很多相關(guān)單位之中，從事此類工作的專業(yè)技術(shù)人員水平不足，或者是設(shè)備管理制度較為落后，以及地區(qū)差異性大，所以，起重機安全運行隱患無疑還是很大的。就疲勞斷裂來看，它的損傷過程市逐漸積累起來，所以一般而言，在發(fā)生疲勞斷裂之前一般不會出現(xiàn)比較明顯的形變，但是在發(fā)生過程可能會突然出現(xiàn)[2]。所以，疲勞斷裂引起的突然想起重機械事故屢見不鮮。在我們國家，社會在快速發(fā)展，應(yīng)用型起重機械也逐漸普及，因此起重機械事故數(shù)量正在逐步增加，甚至已經(jīng)占據(jù)了總體工業(yè)事故的六分之一左右，例如在最近的一段時間發(fā)生在某煉鋼廠的鑄造起重機的主梁突然斷裂的事故之中，起重機的整體坍塌致使多人的傷亡，嚴(yán)重威脅了人民的生命安全，也給企業(yè)聲譽帶來了不利影響。所以，研究起重機械的疲勞斷裂可靠性無疑是十分必要的，可以有效降低起重機械疲勞斷裂事故發(fā)生的可能性，與此同時，還有利于起重機械設(shè)計的改進。在我們國家，部分學(xué)者已經(jīng)開始研究在常幅循環(huán)應(yīng)力作用之下存在于正軌、半偏以及全偏三類起重機箱疲勞強度的差別，同時還根據(jù)相應(yīng)的研究成果研究出了對應(yīng)的疲勞斷裂曲線和有關(guān)于剩余疲勞壽命的總體計算公式[3]。同時還有一些學(xué)者在詳細(xì)的分析研究之后獲得了估算起重機械構(gòu)成零件的疲勞壽命的方式，再將這些跟焊接箱形主梁疲勞相結(jié)合，探討了在實際焊接操作中他們的的實用性并提出了一些尚待解決的問題。除此之外，部分研究人員還用過常幅疲勞試驗來對焊接箱行梁中出現(xiàn)的疲勞強度曲線和相關(guān)方程進行了總結(jié)，再次通過實驗得到在特定壽命之下相關(guān)的疲勞強度的基本分布規(guī)律，之后通過變幅實驗總結(jié)了疲勞強度曲線和變幅、常幅試驗之間的關(guān)系，最后根據(jù)試驗結(jié)果來對疲勞斷裂機理進行總結(jié)。還有一部分的學(xué)者結(jié)合了裂力學(xué)基本理論來推導(dǎo)承受了對等幅載荷的起重機械在疲勞斷裂擴張時期的壽命值并得到了計算公式，而在實際的操作過程之中，按照起重機械荷載的分布特點并結(jié)合時間循環(huán)法來計算以及模擬出疲勞使用壽命值。甚至還有一部分的學(xué)者研究了工程機械的金屬結(jié)構(gòu)并分析了在疲勞載荷之下的有關(guān)問題，同步建立起有關(guān)于相近于疲勞壽命計算的方法，在此過程之中把焊接結(jié)構(gòu)看作是一個系統(tǒng)來對疲勞失效模式進行識別，同時計算出系統(tǒng)綜合失效的概率。在分析疲勞斷裂可靠性的時候，顯式極限狀態(tài)下的方程失效概率已經(jīng)很難解決工程的實際問題了，所以基于此類情況，相關(guān)研究者研究出了響應(yīng)面法，這類方使盡管跟隱式極限狀態(tài)方程相似，不過其函數(shù)形式還是會對其普遍適用性產(chǎn)生影響[4]。所以，研究者就開始使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來解決此類問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法既有思路簡單以及易于編程的特點，而且也有利于大大提高計算精度。

三、科學(xué)改善疲勞強度的方式

當(dāng)起重機械安裝完畢了以后，起重機械所在的的工作環(huán)境仍然是難以得到本質(zhì)的改善，工作環(huán)節(jié)的影響還是會對起重機的疲勞強度產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，因此，在改善疲勞強度的時候，之時可以通過改變金屬機構(gòu)以及零部件設(shè)計來進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，在控制了結(jié)構(gòu)材料和機械零部件的表面應(yīng)力集中之后，起重機疲勞裂紋現(xiàn)象才可以得到較為妥善的處理，在處理了起重機疲勞裂紋現(xiàn)象的同時還能夠防止起重機疲勞裂紋發(fā)生持續(xù)擴展。通過改善其中機械的疲勞強度，相應(yīng)的其中機械使用效率也會不斷提高，而在具體的工作過程中，既可以保障工作人員的人身安全，又能夠維持工廠的長期效益。因此，科學(xué)改善疲勞輕度的方式方法必須被立刻運用到起重機械的運營管理之中。

四、結(jié)語

本篇文章首先探討了疲勞斷裂發(fā)生的原因，之后再詳細(xì)闡述了疲勞斷裂可靠性的分析現(xiàn)狀，最后提出了有關(guān)于科學(xué)改善疲勞強度的方式。通過對于其中機械疲勞強度的具體分析，起重機械發(fā)生疲勞斷裂問題也有了相應(yīng)的解決方式，從而通過有效的解決方法來防止發(fā)生重大的安全事故，從長遠(yuǎn)來看，也能促進工廠的未來發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]門智峰，高文海，李明芳，曹樹貴，劉東輝.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋式起重機剩余壽命評估系統(tǒng)[J].礦山機械，2013，06：45-48+51.

[2]范小寧，徐格寧，王愛紅.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取起重機當(dāng)量載荷譜的疲勞剩余壽命估算方法[J].機械工程學(xué)報，2012，20：69-74.

[3]張強，王海艦，胡南.起升載荷下門式起重機主梁損傷與疲勞壽命預(yù)測研究[J].工程設(shè)計學(xué)報，2015，05：461-468.

[4]熊剛，吳曉，羅友紅，溫明亮.含缺陷起重機箱形梁結(jié)構(gòu)斷裂分析與有限元仿真[J].機械設(shè)計與制造，2016，04：207-210+215.