基于SolidWorks鑄造起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

王建華 李向東 帥 飛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

起重機(jī)主梁作為承載結(jié)構(gòu)，它的失效不僅使起重機(jī)失去功能，而且容易導(dǎo)致斷裂等重大事故。機(jī)械和電氣系統(tǒng)可以通過定期檢測(cè)，實(shí)施維修更換，保證他們的正常工作。但是對(duì)于不可更換的起重機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)，尚缺乏科學(xué)有效的方法判斷其殘余使用壽命。多年來校核起重機(jī)結(jié)構(gòu)，只關(guān)注靜強(qiáng)度，靜剛度及穩(wěn)定性，但疲勞破壞發(fā)生時(shí)應(yīng)力一般低于材料的屈服強(qiáng)度有時(shí)甚至低于彈性極限，當(dāng)工作應(yīng)力超過疲勞極限時(shí)發(fā)生斷裂，具有突發(fā)性，往往造成很嚴(yán)重的后果。起重機(jī)結(jié)構(gòu)承受的變化載荷重復(fù)出現(xiàn)到達(dá)一定次數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)突然產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展，直至承載能力降低到不能繼續(xù)承載而發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象[1]。

1 疲勞設(shè)計(jì)方法

工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)件受到的往往是不規(guī)律的隨機(jī)載荷，經(jīng)過長期的變化載荷作用，結(jié)構(gòu)件由于累積損傷產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展直至斷裂。損傷累計(jì)理論是估算重復(fù)變化載荷作用下結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的理論基礎(chǔ)，對(duì)于等幅載荷，利用結(jié)構(gòu)件材料的S-N曲線來估算不同應(yīng)力幅下達(dá)到疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。按照損傷累積理論研究壽命預(yù)測(cè)的流程如圖1所示。

圖1 壽命預(yù)測(cè)流程圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)的不同，分為高周疲勞和低周疲勞[2]。結(jié)構(gòu)件所受的外應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，材料處于彈性范圍，屬于高周疲勞，用交變應(yīng)力與破壞循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線（即S-N曲線）來衡量，斷裂前的循環(huán)次數(shù)大于1×105～ 1×107次。

2 起重機(jī)主梁裂紋位置

疲勞裂紋源一般出現(xiàn)在應(yīng)力最高的部位，起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大部位在跨中上下翼緣處。裂紋源主要出現(xiàn)在以下部位：大隔板與腹板連接焊縫最下端焊趾、主腹板與受拉翼緣板連接的翼緣焊縫上、受拉翼緣板對(duì)接焊縫上[3]。從以往的事故中可知，裂紋主要出現(xiàn)在焊縫或焊縫附近的母材上，它在變化載荷的作用下會(huì)擴(kuò)展，致使金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障。

3 工程實(shí)例

以YZS380/80-23.4A8(鑄造起重機(jī))為例，使用等級(jí)為U7（頻繁使用），載荷狀態(tài)級(jí)別為Q3(有時(shí)吊運(yùn)額定載荷，較多吊運(yùn)較重載荷)。該設(shè)備吊運(yùn)鋼水包，在服役期內(nèi)載荷基本恒定，以等幅載荷處理。起重機(jī)及主主梁的主要參數(shù)和尺寸見表1。

表1 起重機(jī)及主主梁的主要參數(shù)和尺寸

空載工況時(shí)跨中產(chǎn)生的應(yīng)力σmin=21.5MPa，額載工況時(shí)跨中產(chǎn)生的應(yīng)力σmax=105.9MPa。應(yīng)力循環(huán)特性r=σmin/σmax=0.203＞0。

3.1 驗(yàn)算腹板受拉翼緣焊縫的疲勞強(qiáng)度

根據(jù)工作級(jí)別E8，應(yīng)力集中等級(jí)K2，Q345-B材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度σb=470MPa。查表疲勞許用應(yīng)力基本值 [σ-1]=63MPa。

抗拉疲勞許用應(yīng)力為：

σmax＜[σrt]疲勞驗(yàn)算通過。

3.2 循環(huán)應(yīng)力水平等壽命轉(zhuǎn)換

用于描述高周疲勞的方法是基于應(yīng)力-壽命（S-N）的方法。疲勞計(jì)算的結(jié)果與S-N曲線有直接的關(guān)系，準(zhǔn)確的數(shù)值可以通過實(shí)際產(chǎn)品或同類型的產(chǎn)品的疲勞試驗(yàn)來獲取。對(duì)于大型的鑄造起重機(jī)而言，造價(jià)昂貴、體型龐大，試驗(yàn)成本過高，不適應(yīng)通過試驗(yàn)來獲得其S-N曲線。對(duì)于載荷恒定的鑄造起重機(jī)，結(jié)合服役過程中受力情況計(jì)算出結(jié)構(gòu)某處最大及最小應(yīng)力，按照Goodman曲線理論[4]，修正材料的S-N曲線，在此曲線基礎(chǔ)上基于SolidWorks疲勞分析模塊計(jì)算起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

循環(huán)應(yīng)力幅：

平均應(yīng)力：

假設(shè)基本的S-N曲線用冪函數(shù)式表達(dá)SmN=C，則：，對(duì)于拉壓載荷0.3≤k≤0.45，k取 0.35；

由疲勞試驗(yàn)可知，若受力較小的結(jié)構(gòu)件應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到2×106而不發(fā)生疲勞破壞，則繼續(xù)試驗(yàn)也不會(huì)發(fā)生疲勞破壞[1]。由基本的S-N曲線可得應(yīng)力和壽命關(guān)系，為后續(xù)的疲勞分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 SolidWorks建模、疲勞分析

根據(jù)表1起重機(jī)及主主梁的主要參數(shù)和尺寸在SolidWorks軟件中建立主主梁的三維模型如圖2所示。為了避免應(yīng)力集中出現(xiàn)在車輪與軌道接觸處，輪壓分布在矩形面積a1×b1上，a1=2h+50mm，b1為軌道底寬。

圖2 主梁受力幾何模型

經(jīng)網(wǎng)格化分、靜力求解，找出主主梁結(jié)構(gòu)中最容易遭到疲勞破壞的點(diǎn)，如圖3所示。有限元計(jì)算應(yīng)力與理論計(jì)算值接近，說明建立的三維模型能滿足求解需要。模型的簡化使得跨端應(yīng)力集中嚴(yán)重，讀取數(shù)據(jù)時(shí)給予忽略。下蓋板、腹板對(duì)接焊縫靠近跨端部，不予考慮。

在SolidWorks Simulation疲勞分析模塊，S-N曲線由S7.314N=2.813×1021映射獲得，數(shù)據(jù)差值采用對(duì)對(duì)數(shù)處理。損壞是基于線性損壞準(zhǔn)則（Miner’s準(zhǔn)則），當(dāng)損壞百分比大于100時(shí)，代表疲勞失效發(fā)生了。疲勞分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，主梁跨中應(yīng)力較大的部位在載荷循環(huán)2×106后沒有發(fā)生疲勞破壞，損壞比為50%。

圖3 主要受力部位

圖4 損壞圖解

4 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)的疲勞壽命與所受的應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，結(jié)構(gòu)受到的外應(yīng)力愈大，發(fā)生疲勞破壞所需循環(huán)次數(shù)愈少。由結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到的主梁的疲勞數(shù)據(jù)及對(duì)虛擬樣機(jī)疲勞仿真的結(jié)果可以得出，起重機(jī)主梁在其服役期內(nèi)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，結(jié)構(gòu)承載能力尚有較大的安全余量，建議在設(shè)計(jì)時(shí)平衡其經(jīng)濟(jì)性和安全性。