探究起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性的新進(jìn)展

李楊

摘 要：起重機(jī)作為新時期工業(yè)生產(chǎn)的大型電氣設(shè)備，可以實現(xiàn)重物的起吊，這也讓起重機(jī)在實際應(yīng)用中愈加廣泛。起重機(jī)在起吊運行當(dāng)中，由于會諸多的因素影響，會疊加起重機(jī)的機(jī)械疲勞斷裂可能性，嚴(yán)重影響起重機(jī)應(yīng)用的可靠性，最終出現(xiàn)機(jī)械斷裂，甚至?xí)l(fā)安全事故問題。因此，本文首先對起重機(jī)疲勞斷裂因素進(jìn)行分析，分析起重機(jī)疲勞斷裂可靠性研究新進(jìn)展與新方法。

關(guān)鍵詞：起重機(jī);疲勞斷裂可靠性;新進(jìn)展;新技術(shù)

中圖分類號：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0080-02

0 引言

眾所周知，起重機(jī)在化工生產(chǎn)、建筑生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，作為各領(lǐng)域生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備之一，可以有效的進(jìn)行重物起吊和運輸，降低了人工勞力的投入量，提升了生產(chǎn)效率。起重機(jī)起吊重物多數(shù)都是以“t”作為計量單位，起吊重量非常大，加劇了機(jī)械疲勞斷裂的可能性，特別是在起吊運輸中產(chǎn)生荷載變化情況時，會直接產(chǎn)生應(yīng)力偏移。起重機(jī)在出廠時附贈的說明使用書中表明起重機(jī)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到了百萬次，但是由于實際起吊運輸生產(chǎn)環(huán)境差，通常都是極限強(qiáng)度起吊，導(dǎo)致實際應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大約只有理論循環(huán)次數(shù)的10-20%，這也造成很多起重機(jī)在實際應(yīng)用中出現(xiàn)機(jī)械斷裂問題。從起重機(jī)結(jié)構(gòu)方面來看，其主要的受力部件應(yīng)力最大，也是出現(xiàn)疲勞斷裂的重點部位，需要重點關(guān)注。

1 起重機(jī)疲勞斷裂分析

所謂的疲勞斷裂是指在某個點承受擾動應(yīng)力，并且在多個循環(huán)擾動作用下造成機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或完全斷裂產(chǎn)生的永久性局部變化。對于起重機(jī)機(jī)械疲勞研究可以預(yù)測出起重機(jī)的使用壽命。之所以說理論上起重機(jī)可以實現(xiàn)百萬、千萬循環(huán)，是不在擾動應(yīng)力條件下，但是在起吊運輸過程中，因為無法精準(zhǔn)的找到起吊物中心點，再加上風(fēng)力等作用，所以一定會產(chǎn)生擾動應(yīng)力，導(dǎo)致部分起吊點的應(yīng)力過于集中，這些個應(yīng)力疲勞會在這個部位逐漸累積，最終在承載應(yīng)力小于實際應(yīng)力的情況下，出現(xiàn)斷裂問題。可見，機(jī)械疲勞的最大特點是局部性作用，最常見的機(jī)械疲勞是產(chǎn)生裂紋，初期是裂紋萌生，之后會隨著使用次數(shù)增加裂紋逐漸擴(kuò)展，最后受到應(yīng)力作用而斷裂。金屬結(jié)構(gòu)變形大致可以分為三個階段，一是彈性變形;二是塑性變形;三是斷裂。應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1。

2 起重機(jī)機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析

有上述分析可知，機(jī)械疲勞應(yīng)力集中是一個持續(xù)的過程，要經(jīng)過初步變形→裂縫→斷裂，所以新起重機(jī)投入使用之后要在一段時間后才會斷裂，想要判定機(jī)械疲勞斷裂可靠性，需要手機(jī)各類信息數(shù)據(jù)，加強(qiáng)應(yīng)力試驗。當(dāng)今國內(nèi)外對于起重機(jī)機(jī)械斷裂提出了諸多的理念，通常情況下機(jī)械疲勞斷裂前的外觀變化非常小，并且起重機(jī)可以正常使用，因此斷裂多數(shù)是突發(fā)情況。具不完全統(tǒng)計，起重機(jī)使用中的危害事故中，觸電事故、重物墜落事故、斷裂事故比重最高，分別為22.6%、26.8%、15.8%，斷裂事故比重并不低。值得注意一點，疲勞斷裂會產(chǎn)生聯(lián)動效應(yīng)，某鋼鐵廠使用的125t鑄造起重機(jī)發(fā)生斷裂事故，直接帶動了廠房主梁結(jié)構(gòu)崩塌，造成了十分嚴(yán)重的損害問題，該鋼鐵廠也成為了新聞焦點，對企業(yè)形象危害非常大。

起重機(jī)疲勞斷裂研究方面國內(nèi)外已經(jīng)取得了突破性成就，很多專家已經(jīng)對正規(guī)、半偏、全偏三種循環(huán)應(yīng)力疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，應(yīng)用了函數(shù)模型判定法（圖1就是其中的一種）。如我國有關(guān)部門已經(jīng)掌握了疲勞斷裂曲線、剩余疲勞使用壽命幾何模型等。除此之外，還有起重機(jī)部件使用壽命計算法，根據(jù)焊接箱體主梁疲勞應(yīng)力，以及起重環(huán)境與起重情況等，這些都能夠在一定程度上為機(jī)械疲勞斷裂可靠性提供有力數(shù)據(jù)，在正常使用中將機(jī)械疲勞斷裂幾率降到最低。

3 起重機(jī)疲勞斷裂可靠性研究新進(jìn)展、新方法

3.1 隨機(jī)有限元

隨機(jī)有限元作為近幾十年發(fā)展的工程數(shù)值計算方案，傳統(tǒng)機(jī)械疲勞計算方法沒有考慮到客觀因素影響，而該項技術(shù)考慮了隨機(jī)參數(shù)的影響，能夠有效計算出機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性、定力問題、力學(xué)非線性等，近些年在起重機(jī)機(jī)械疲勞斷裂可靠性得以應(yīng)用。由于機(jī)械疲勞斷裂受到多因素的影響，局部應(yīng)力變形也是隨機(jī)的，這也發(fā)揮了隨機(jī)有限元技術(shù)的作用。其功能函數(shù)為Z（X）=g（x1，x2...xn），公式當(dāng)中的x1，x2...xn都是隨機(jī)變量，需要根據(jù)起重機(jī)實際使用情況和應(yīng)力分布確定變量系數(shù)，從而得到機(jī)械疲勞極限參數(shù)（斷裂參數(shù)）。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析當(dāng)中，通過顯示極限狀態(tài)方程失效概率計算方案已經(jīng)難以解機(jī)械疲勞計算的各項問題。所以在新時期下人們也提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷裂可靠性分析方案。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取替固定函數(shù)形式的響應(yīng)方案，解決非線性極限狀態(tài)機(jī)械疲勞斷裂能力，相比傳統(tǒng)響應(yīng)方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅思路更簡單、編程更容易，并且可以大幅度提升計算精度，是當(dāng)今分析起重機(jī)機(jī)械斷裂可靠性的重要方案。在實際計算當(dāng)中，由于輸入變量、輸出變量所對應(yīng)的關(guān)系未知，所以要先對輸入變量進(jìn)行近似分析，之后通過極限狀態(tài)下對疲勞失效概率進(jìn)行計算。其中要使用誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)模型（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的一種），三層的誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)模型可以讓任意精度近似連續(xù)函數(shù)，所以可以采用該網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計算。

3.3 支持向量機(jī)的分析技術(shù)

支持向量機(jī)技術(shù)作為一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，具有小樣本的學(xué)習(xí)能力。該方法采用隨機(jī)有限元對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，是隨機(jī)有限元的衍生品。起重機(jī)機(jī)械疲勞會受到使用時間的影響，由于使用時間出現(xiàn)疲勞的隨機(jī)性，因此該方法在分析當(dāng)中主要是針對隱性功能函數(shù)進(jìn)行分析。在支持向量機(jī)的基礎(chǔ)上，采用Monte Carlo模擬法和一次二階矩方法，相比過去的概率分析法，該方法可以在少樣本的基礎(chǔ)上，得到更加貼近于實際的功能函數(shù)，減少隱性功能函數(shù)分析頻率，具有非常高的使用價值。其中，Monte Carlo模型會在隨機(jī)變量標(biāo)準(zhǔn)差中隨機(jī)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)差，該抽樣方案在大范圍都有抽樣點，可以滿足訓(xùn)練向量機(jī)的對落入失效區(qū)域抽樣點的需求;一次二階矩方案，利用向量機(jī)模型逼近解耦股復(fù)雜的隱性極限狀態(tài)函數(shù)，讓功能函數(shù)顯性轉(zhuǎn)化，這樣即可得到函數(shù)所對應(yīng)的隨機(jī)變量的一階偏導(dǎo)函數(shù)。

3.4 混合遺傳法

在新材料、新工藝的不斷應(yīng)用，起重機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量也有所提升，而機(jī)械疲勞斷裂可靠性主根本上是受到了材料影響?；旌线z傳法就是對材料的一種全局優(yōu)化算法，遺傳算法最大的優(yōu)勢就是不受函數(shù)連續(xù)、線性、可微等條件影響，在機(jī)械疲勞可靠性分析中廣泛被應(yīng)用。但是該方法也存在著一定問題，如可能產(chǎn)生早熟問題、局部抗擾動能力差、效率低等。因此學(xué)者針對此類問題提出了混合遺傳算法，包括混合模擬退火算法與遺傳算法;混合最佳矢量法與遺傳算法等?；旌线z傳算法優(yōu)化結(jié)果更好、迭代次數(shù)少、搜索效率高。在實際應(yīng)用中，首選需要構(gòu)建優(yōu)化模型，主要是從可靠度最大為目標(biāo)和可靠度為約束條件，前者是對起重機(jī)關(guān)鍵零部件構(gòu)建可靠度最大目標(biāo)函數(shù)，采用功能參數(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等作為約束條件;后者針對起重機(jī)一般部件，采用功能函數(shù)、可靠度作為約束，產(chǎn)生體積、質(zhì)量、成本目標(biāo)函數(shù)。

遺傳模擬退火算法具有非常好的局部搜索能力，對整個搜索空間掌握性不足，因此該算法運行效率不高，但是結(jié)合混合遺傳算法優(yōu)勢，以遺傳算法為主框架，融入模擬退火機(jī)制，通過隨機(jī)變量應(yīng)用實數(shù)編碼，可以提升編碼范圍，降低了遺傳算法的復(fù)雜性，保證整體計算效率。交叉算子采用單點交叉，首先對群體中個體進(jìn)行分配，并選擇一個交叉點，將分量進(jìn)行交叉，使用正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)取替原有基因之。選擇復(fù)制操作中采用比例選擇算子，為了優(yōu)秀個體不被取替，系統(tǒng)設(shè)置將父代種群適應(yīng)度最大的10%個體直接傳輸?shù)阶哟小?/p>

最佳矢量法作為一種微分搜索技術(shù)，能夠交替使用沿目標(biāo)函數(shù)梯度發(fā)展的最優(yōu)矢量逼近，具備更好的運行效率和收斂性。對整個種群倆說，由于要經(jīng)歷多次迭代才能夠產(chǎn)生優(yōu)良個體。所以要采用最佳矢量方案進(jìn)行優(yōu)化分解，將編碼作為遺傳算法的種群一部分，提升整個種群個體能力，在進(jìn)化中每一代種群都要優(yōu)化選取、交叉、變異并產(chǎn)生下一代。每一代的最佳矢量都作為初始設(shè)計方案，展開局部搜索，再將編碼加入到群體當(dāng)中，通過遺傳算法展開全局搜索，發(fā)揮兩種方案的優(yōu)勢，相互協(xié)調(diào)、相互獨立、共同作用。

4 結(jié)語

綜上所述，起重機(jī)械在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，這也提高了人們對起重機(jī)械疲勞斷裂可靠性的重視程度。從當(dāng)今科研領(lǐng)域?qū)ζ跀嗔芽煽啃匝芯楷F(xiàn)狀分析可知，雖然已經(jīng)提出了很多新技術(shù)，但是在疲勞度斷裂可靠性分析中依然存在著些許不足，這就需要相關(guān)人員、部門加強(qiáng)新技術(shù)投入，讓起重機(jī)機(jī)械疲勞斷裂可靠性分析更加精準(zhǔn)。

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