造船門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕應(yīng)力分析

張 峰 郭曉光 王 欣 滕儒民

1大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116025 2大連船舶重工集團(tuán)有限公司 大連 116000

0 引言

造船門式起重機(jī)是進(jìn)行船體分段吊裝及翻身作業(yè)的專用起重設(shè)備，其在實(shí)際工作過程中會(huì)受到沿?？諝庵宣}粒、鹽霧和海風(fēng)等的侵蝕，表面發(fā)生氧化和腐蝕，造成結(jié)構(gòu)厚度減少，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不斷降低，腐蝕及疲勞的交互作用使起重機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命下降加速,從而嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的完整性和損傷容限性能。國內(nèi)外在油氣管道等領(lǐng)域有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可用于檢測評估腐蝕后的管道剩余承載能力［1，2］，研究者使用有限元分析和相關(guān)試驗(yàn)研究了石油管道［3-5］、飛機(jī)［6，7］、斜拉橋拉索［8］、船舶［9］等領(lǐng)域的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕部位的應(yīng)力分布及剩余壽命評估來保障各種機(jī)械裝備的安全生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，但在門式起重機(jī)領(lǐng)域的腐蝕研究則較為少見。

根據(jù)GB/T 6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程》[10]的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)起重機(jī)主要受力構(gòu)件發(fā)生腐蝕時(shí)，應(yīng)進(jìn)行檢查和測量；當(dāng)其主要受力構(gòu)件的斷面腐蝕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的10%時(shí)，如不能修復(fù)即應(yīng)報(bào)廢。然而在實(shí)際應(yīng)用中，判斷起重設(shè)備的實(shí)際承載能力比較復(fù)雜，主要受力構(gòu)件各截面的應(yīng)力也會(huì)有所不同，在不同部位發(fā)生局部腐蝕，腐蝕的大小對結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響程度也不同。因此，全面了解和掌握不同腐蝕部位與腐蝕尺寸對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，才能更有針對性地評判結(jié)構(gòu)腐蝕后能否修復(fù)的問題。

本文采用有限元軟件Ansys對門式起重機(jī)進(jìn)行靜力分析，以900噸級門式起重機(jī)為例，首先建立整體有限元模型，獲取危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值，然后根據(jù)腐蝕的特點(diǎn)在危險(xiǎn)部位建立局部實(shí)體有限元模型，將其嵌入整體模型，進(jìn)而分析不同腐蝕尺寸深度對局部應(yīng)力的影響情況，再對腐蝕前后的應(yīng)力情況進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析不同腐蝕參數(shù)對應(yīng)力的影響狀況、應(yīng)變變化規(guī)律，為造船門式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕后應(yīng)力變化規(guī)律及壽命評估提供數(shù)據(jù)支持。

1 起重機(jī)整體有限元模型建立與驗(yàn)證

起重機(jī)主體材料相當(dāng)于國內(nèi)材料Q345B，材料的具體參數(shù)如表1所示。在進(jìn)行靜力分析時(shí)，定義材料的彈性模量為2.06×105Pa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9t/mm3。

表1 材料規(guī)格及力學(xué)性能

門式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)以箱形板結(jié)構(gòu)為主，采用Shell 181板單元建立主梁、剛腿與平衡梁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的加強(qiáng)筋和柔腿可看作梁結(jié)構(gòu)，可采用Beem 188梁單元建立模型，并以四邊形和三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)實(shí)際情況，在起重機(jī)平衡梁支座和柔腿根部施加全位移約束，起升小車自重及外載荷將以小車輪壓方式施加在主梁相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處。由此建立的有限元模型如圖1所示，單元總數(shù)為386 916，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為425 224。

圖1 門式起重機(jī)有限元模型

為了驗(yàn)證模型建立的合理性，需進(jìn)行起重機(jī)的應(yīng)力測試。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場條件，在主梁距離剛腿中心137 m處以實(shí)際吊載248 t的載荷工況為測試工況，選取主梁上蓋板作為應(yīng)力測點(diǎn)（測點(diǎn)布置見表2），采用電阻應(yīng)變片方式測試應(yīng)力（部分測點(diǎn)見圖2）。

圖2 部分測點(diǎn)位置示意圖

表2 測點(diǎn)位置布置情況

由于現(xiàn)場只能測試所吊載荷的應(yīng)力，在有限元模型中可不考慮整車結(jié)構(gòu)的自重，僅將外載荷轉(zhuǎn)換為起升小車的輪壓，施加到主梁相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。由此計(jì)算出的結(jié)構(gòu)第3主應(yīng)力云圖如圖3所示，測點(diǎn)應(yīng)力與實(shí)測結(jié)果對比如表3所示。由表3中可知，計(jì)算的測點(diǎn)應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力誤差在10%以內(nèi)，表明模型建立的合理性與有效性。

表3 測點(diǎn)應(yīng)力值對比分析表 MPa

圖3 主梁3rd Principal stress應(yīng)力云圖

2 帶有局部腐蝕的起重機(jī)有限元模型

腐蝕一般會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的截面尺寸，減少板的厚度，易引起應(yīng)力集中與結(jié)構(gòu)局部承載能力下降。當(dāng)腐蝕達(dá)到一定面積和深度時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)截面的承載能力喪失，而出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際調(diào)研，在沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的推移，腐蝕會(huì)從少數(shù)的點(diǎn)蝕（見圖4a）逐漸擴(kuò)展為較大的腐蝕坑（見圖4b），再逐步連成腐蝕面（見圖4c），形成腐蝕區(qū)域。由此可以看出，腐蝕的厚度與面積是逐步擴(kuò)大的，顯然不同腐蝕尺寸也必然會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

圖4 腐蝕區(qū)域示意圖

通常腐蝕尺寸相比結(jié)構(gòu)尺寸要小很多，且會(huì)侵蝕板厚方向，故一般對腐蝕部位采用實(shí)體單元建模更合理。然而，考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體建模會(huì)大大提高模型規(guī)模，進(jìn)而影響計(jì)算速度，故應(yīng)采取局部實(shí)體單元與整體板單元結(jié)合的方式建立有限元模型。

本文以單點(diǎn)腐蝕為例分析腐蝕對應(yīng)力的影響。從腐蝕的形貌來看，腐蝕坑通常是以不規(guī)則的弧面向外擴(kuò)散。為了簡化建模，可將腐蝕坑以規(guī)則的圓槽形狀和長圓槽形狀來替代。一般腐蝕從表面開始，而主梁上蓋板最易受到腐蝕，所以將腐蝕區(qū)域布置在受力較大的主梁跨中上蓋板處（見圖5）。選用高階實(shí)體單元Solid 95建立腐蝕坑及附近的模型，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分與細(xì)分。由于實(shí)體單元與起重機(jī)模型主體的殼單元自由度數(shù)不同，故通過MPC法將腐蝕區(qū)域的實(shí)體模型連接到整體板殼模型中。部分實(shí)體有限元模型如圖6所示。

圖5 腐蝕區(qū)域三維有限元模型

圖6 不同腐蝕面積的有限元實(shí)體模型

3 有限元仿真結(jié)果分析

3.1 腐蝕長度沿主梁軸線方向增長對應(yīng)力的影響

本文以腐蝕寬度44 mm、腐蝕深度占厚度20%為基準(zhǔn)腐蝕尺寸，分析不同腐蝕尺寸下的應(yīng)力變化情況。將腐蝕區(qū)由圓槽形沿主梁軸線方向加長為長圓槽形時(shí)的應(yīng)力分布，如圖7所示。從圖中可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域一般在圓弧過渡處，隨腐蝕尺寸的加大而發(fā)生變化，腐蝕區(qū)域中心處的普遍應(yīng)力也隨之發(fā)生變化。以44 mm×44 mm處的最大應(yīng)力和中心應(yīng)力為基準(zhǔn)值與其余數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖7 沿主梁軸線方向變化的腐蝕模型局部Von-mise應(yīng)力云圖

表4 沿主梁軸線方向變化的腐蝕模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4可知，在腐蝕坑長度增加16倍的情況下最大等效應(yīng)力與最大偏差為17.1%，圓槽中心應(yīng)力最大偏差最大為21.9%，且最大等效應(yīng)力與圓槽中心應(yīng)力變化呈下降趨勢，這是由于主梁總長與設(shè)置的腐蝕坑長度比值較大，當(dāng)腐蝕坑長度增加時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減弱，應(yīng)力集中處的等效應(yīng)力值反而降低。由此可以認(rèn)為，當(dāng)腐蝕面沿起重機(jī)主梁軸線方向延伸時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)減弱，最大應(yīng)力相對基準(zhǔn)值會(huì)有所降低。

3.2 腐蝕模型寬度沿主梁截面方向增長對應(yīng)力的影響

以板厚的20%為基準(zhǔn)腐蝕深度，建立寬度44 mm、長度沿主梁截面方向的腐蝕坑模型，應(yīng)力變化如圖8所示，腐蝕模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，當(dāng)腐蝕模型寬度沿主梁截面方向增長時(shí)最大等效應(yīng)力和圓槽中心應(yīng)力的變化呈增長趨勢，且變化值較大，特別是中心應(yīng)力的變化更劇烈，長圓槽邊緣的集中處也指向主梁截面方向。與腐蝕長度沿主梁軸線方向增長時(shí)最大應(yīng)力的變化值相比，主梁上蓋板腐蝕區(qū)域附近的最大應(yīng)力對腐蝕尺寸沿截面方向增長更敏感。由此可知，腐蝕沿主梁截面方向增長時(shí)較危險(xiǎn)，對該處金屬結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度影響較大。

圖8 長度沿主梁截面方向變化的腐蝕模型局部Von-mise應(yīng)力云圖

表5 沿主梁截面方向變化的腐蝕模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 腐蝕深度對應(yīng)力的影響

由前述仿真結(jié)果可知，腐蝕沿主梁截面方向延伸時(shí)對局部應(yīng)力的影響較大，對起重機(jī)主梁的危害也較嚴(yán)重。因此，設(shè)置長度為44 mm、寬度度沿主梁截面方向增長、深度不同的腐蝕模型，進(jìn)一步研究不同腐蝕坑對門式起重機(jī)主梁局部應(yīng)力的影響。

以44 mm×176 mm長圓槽腐蝕模型為例，不同腐蝕深度的局部應(yīng)力云圖如圖9所示。腐蝕區(qū)域應(yīng)力最大位置位于長圓槽的2圓弧邊緣，提取此處最大應(yīng)力與腐蝕面中心點(diǎn)應(yīng)力，并與未腐蝕時(shí)該處的應(yīng)力（150 MPa）進(jìn)行對比。不同長寬比腐蝕坑應(yīng)力結(jié)果見表6～表10。最大應(yīng)力隨腐蝕深度變化的曲線如圖10所示。

圖9 不同腐蝕深度44 mm×176 mm長圓槽Von-mise應(yīng)力云圖

圖10 最大應(yīng)力增長比隨腐蝕深度的變化

表6 44 mm×44 mm圓柱槽腐蝕坑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表7 44 mm×88 mm長圓槽腐蝕坑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表8 44 mm×176 mm長圓槽腐蝕坑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表9 44 mm×352 mm長圓槽腐蝕坑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表10 44 mm×704 mm長圓槽腐蝕坑應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖10可知，當(dāng)腐蝕面積較小時(shí)，不同腐蝕深度下的腐蝕中心應(yīng)力比未腐蝕時(shí)應(yīng)力增加的幅值與腐蝕深度占比接近。當(dāng)腐蝕面積較大時(shí)，該幅值的梯度比腐蝕深度占比梯度增加得快。同理，腐蝕處最大應(yīng)力比未腐蝕時(shí)應(yīng)力增加幅值及幅值梯度更快于腐蝕深度占比。結(jié)果表明，腐蝕應(yīng)力的增加速度要快于腐蝕深度，曲線斜率的陡峭程度反映了這種變化關(guān)系。腐蝕處最大應(yīng)力增加比要遠(yuǎn)高于腐蝕中心應(yīng)力增加比，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中，極易引起裂紋源及裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。

當(dāng)腐蝕面積較小時(shí)，腐蝕深度占比在50%左右，腐蝕處最大應(yīng)力接近或超過材料的屈服應(yīng)力（345 MPa）。當(dāng)腐蝕面積較大時(shí)，腐蝕深度占比在30%左右，腐蝕處最大應(yīng)力就會(huì)超出材料屈服應(yīng)力；當(dāng)腐蝕深度占比在 40%左右，腐蝕中心應(yīng)力會(huì)超出材料屈服應(yīng)力。由此表明腐蝕深度增加，剩余板厚降低，腐蝕區(qū)域不足以承受應(yīng)該承擔(dān)的應(yīng)力，就會(huì)逐漸使腐蝕區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)首先屈服，進(jìn)而將應(yīng)承受的載荷或應(yīng)力由周邊的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，增加了周邊的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，造成高應(yīng)力范圍的擴(kuò)大。隨著腐蝕進(jìn)一步加大，高應(yīng)力范圍也會(huì)逐步加大，當(dāng)擴(kuò)大到整個(gè)斷面時(shí)，將嚴(yán)重影響斷面應(yīng)力的分布。如果達(dá)到屈服，整個(gè)斷面就會(huì)存在屈服的危險(xiǎn)。

提取腐蝕深度為設(shè)計(jì)板厚的10%，不同面積的腐蝕坑處的最大應(yīng)力值如圖11所示。由圖11可知，應(yīng)力增加百分比的速率高于腐蝕深度增加的速率，且應(yīng)力增加的百分比隨腐蝕面積增加而增加。因此，當(dāng)腐蝕深度達(dá)到板厚的10%時(shí)，是否會(huì)明顯影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力，還與腐蝕面積大小有關(guān)系。所以，在GB/T 6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程》給出腐蝕厚度的相關(guān)規(guī)定前提下，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行更進(jìn)一步的計(jì)算分析。

圖11 腐蝕深度10%下腐蝕寬度增加時(shí)的最大應(yīng)力增長比

4 結(jié)論

1）當(dāng)腐蝕區(qū)域沿起重機(jī)主梁跨度方向延伸時(shí)，因應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，最大應(yīng)力會(huì)有所降低，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)危害程度較小。當(dāng)腐蝕區(qū)域長度沿主梁截面方向增長時(shí)，最大等效應(yīng)力和腐蝕缺陷中心應(yīng)力的變化呈增長趨勢，此時(shí)腐蝕區(qū)域的擴(kuò)展較危險(xiǎn)，腐蝕邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，易產(chǎn)生裂紋危害起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）盡管起重機(jī)主梁為主要受力構(gòu)件，其上蓋板有多處腐蝕深度達(dá)到或超過設(shè)計(jì)厚度的10%，但腐蝕深度較大的是局部部位，對應(yīng)力的影響范圍僅是腐蝕坑附近的區(qū)域，最大應(yīng)力未超過材料的許用應(yīng)力時(shí)可對其進(jìn)行修復(fù)使用。

3）腐蝕區(qū)域應(yīng)力集中處的應(yīng)力增加幅值及幅值梯度都要快于腐蝕深度占比，腐蝕處最大應(yīng)力增加比要遠(yuǎn)高于腐蝕中心應(yīng)力增加比，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中，會(huì)降低結(jié)構(gòu)延展性，極易引起裂紋及裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，從而加速腐蝕區(qū)域的強(qiáng)度破壞與脆性破壞。因此，應(yīng)及早對腐蝕區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，避免安全隱患。