（机械制造及其自动化专业论文）门座起重机载荷谱及裂纹扩展特性的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 门座起重机是现代港口工业生产中最重要的大型机械设备之一。长期以来， 港口门座起重机金属结构的疲劳裂纹问题一直为港口相关工作各方人员所关注。 以往，门座起重机的设计都仅限于强度和刚度方面，疲劳没有校核过，而门座起 重机金属结构的裂纹往往是由疲劳所引起的。因此，加强门座起重机疲劳问题的 研究，普及抗疲劳设计的理论和方法有着十分重要的意义；而如何对已经产生明 显宏观裂纹的门座起重机进行疲劳裂纹监控也是摆在我们面前的一个全新课题。 本文采用b s 5 4 0 0 标准，以门座起重机金属结构为研究对象，运用有限元分析 软件a n s y s 及其参数化技术对门机的运行过程进行参数化建模；根据门机典型 工作工况制定门机典型疲劳载荷谱，并对门机结构疲劳强度进行分析：运用v i s u a l c + + 软件绘制门机疲劳云图；通过分析疲劳结果，找出载荷谱与疲劳结果之间的 关系。本文的主要工作如下： ( 1 ) 运用a n s y s 软件中的a p d l 语言编制命令流实现门机运行过程的参数 化建模，并对门机金属结构进行强度分析； ( 2 ) 根据门机典型工作工况制定门机典型疲劳载荷谱，并分析影响门机典型 疲劳载荷谱的相关因素； ( 3 ) 依据b s 5 4 0 0 标准，利用v i s u a lc + + 程序对门机典型疲劳载荷谱下的结 构疲劳强度进行分析，对疲劳分析结果与门机裂纹的实际情况进行比较，并以计 算疲劳数据为基础，绘制疲劳云图； ( 4 ) 通过分析疲劳结果，找出载荷谱与疲劳结果之间的关系，进而分析得出 设计中如何改善门机金属结构疲劳强度及门机使用过程中如何减少结构的疲劳累 积损伤； ( 5 ) 研究疲劳裂纹的扩展特性，根据门机有限元分析结果探讨门机疲劳裂纹 的监控。 关键词：门座起重机，载荷谱，b s 5 4 0 0 ，疲劳云图，裂纹 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o r t a lb - - t a l l ei st h em o s ti m p o r t a n tl a r g e - s c a l ee q u i p m e n ti nt h em o d e m p o r t s i n d u s t r y al o n gp e r i o do ft i m e ，t h ef a t i g u ec r a c k l eo fp o r t a lc r a n em e t a ls t m 船h a s b e e na l w a y sc o n c e r n e di np o r t i nt h ep a s t , p o r t a lc l 弛es t r u c t u r a lc a l c u l a t i o nw a s l i m i t e dt os t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，f a t i g u ec a l c u l a t i o nw a sn e g l e c t e d b u tp o r t a lc l a n e m e t a ls t r u c t u r ec r a c k l ei so f t e nc a u s e db yf a t i g u e s o ，t h er e s e a r c ho np o r t a lo r a n e f a t i g u ea n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fa n t i - f a t i g u ed e s i g nm e t h o di se x t r e m e l yv i t a l s i g n i f i c a n c e ；h o wt om o n i t o rp o r t a lc r a n ef a t i g u ei sa l s oan e ws u b j e c t t h i st e x tt a k e st h em e t a ls t r u c t u r eo f p o r t a lc r r n e 鹊t h er e s e a r c ho b j e c t ，a n du s e s a n s y sa n dp a r a m e t e r i z e dt e c h n o l o g yt om o d e l i n gt h eo p e r a t i n gp r o c e s so ft h e p o r t a lo r a n e ；f o r m u l a t ef a t i g u el o a ds p e c t r u ma c c o r d i n gt o t h et y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n sa n da n a l y s i st h ef a t i g u eo fp o r t a lc r a n es t r u c t u r e ；d r a wt h ef a t i g u e n c p h o g r a mo fp o r t a lc r a n e ；f i n do u tt h er a l a t i o n s h i pb e t w e e nf a t i g u el o a ds p e c t r u m a n dt h er e s u l to ff a t i g u ec a l c u l a t i o na c c o r d i n gt of a t i g u er e s u l t t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni sa sf e l l o w s ： ( 1 ) b u i l da p o r t a l o a n e sf e mm o d e l b yu s i n g a n s y si n t e r n a l c o m m 缸矗一陋d la n da n 灿i st h es t r e n g t ho fs t r u t u r e ； ( 2 ) f o r m u l a t ef a t i g u el o a ds p e c t r u ma c c o r d i n gt ot h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s o fp o r t a lc r a n ea n da n a l y s i sr e l e v a n tf a c t o r so fl o a ds p e c t r u m ； ( 3 ) a n a l y s i s t h e f a t i g u eo fp o r t a l c r a n es 仃u c t i i r ea n dc o m p a r et h ef a t i g u e c a l c u l a t i o nr e s u l tw i t ht h ei n v e s t i g a t ed a t eo ft h ec r a c k l e ；d r a wt h ef a t i g u en c p h o g r a m a c c o r d i n gt ot h ef a t i g u er e s u l t ； ( 4 ) f i n do u tt h er a l a t i o n s h i pb e t w e e nf a t i g u el o a ds p e c t r u ma n dt h er e s u l to f f a t i g u ec a l c u l a t i o na c c o r d i n gt of a t i g u er e s u l t ； ( 5 ) r e s e a r c hc r a c k l ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e s ，a n dd i s c u s s ec r a c k l em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：t h ep o r t a lc r a n e ，l o a ds p e c t r u m ，b s 5 4 0 0 ，f a t i g u en e p h o g r a m ，c r a c k l e i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：骓日期：牡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究等签名) ：肄导师( 签名) 期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 金属、塑料、木材、混凝土、玻璃、橡胶和复合材料等各种结构材料及其加 工而成的结构或设备，在载荷的反复作用下，都会产生疲劳问题。在工程结构和 机械设备中，疲劳破坏的现象极为广泛，它遍及每一个运动的零部件，甚至看上 去是静止的，只要它承受反复作用的载荷，就会导致疲劳破坏【l 】。在现代工业各 个领域中，大约5 0 - 9 0 以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，特别是 近3 0 年来，随着机械向高速和大型化方向发展，机械的工作应力越来越高，而机 械使用的条件却越来越恶劣，疲劳破坏也就更趋于频繁。疲劳破坏不同于一般的 断裂，归根到底在于那些或明或暗的裂纹，一般经过微观裂纹萌生与扩展，宏观 裂纹萌生与扩展的过程，最后导致突然的断裂。许多构件由于焊接、腐蚀或材料 本身的组织缺陷而萌生裂纹，在疲劳载荷的作用下扩展并最后断裂，常常会导致 灾难性事故的发生。 随着我国经济的快速发展，港口在国民经济中的地位也不可忽视。门座起重 机是现代港口工业生产中最重要的大型机械设备之一。为了制造方便，门座起重 机金属结构大量采用焊接工艺，同时，也往往在焊接处留下缺陷。另外由于交变 载荷的作用和使用条件的恶劣，也可能使得结构因疲劳和腐蚀而萌生裂纹。长期 以来，港口门座起重机金属结构的疲劳裂纹问题一直是从事港口相关工作各方人 员所关注，是影响港口装卸作业效率的基本因素之一。 1 2 门座起重机故障调查统计 门座起重机是港口装卸作业的主要起重设备，它是一种间歇动作机械，具有 短暂、重复、周期性循环的工作特点，并且工作环境恶劣。现在全国各港口使用 的门座起重机有1 0 0 0 余台。从1 9 9 7 年的港口门座起重机金属结构使用及故障调 查情况结果【2 1 来看：目前对所使用的门座起重机金属结构使用安全的潜在威胁主 要是裂纹，由此引起的故障约占全部故障的8 0 强。门座起重机结构的所有重要 武汉理工大学硕士学位论文 部位都有裂纹，裂纹的长度从几十毫米到几千毫米不等。另一方面，从调查中我 们还了解到，门座起重机投入运行1 0 - - , 1 2 年，其金属结构上就会产生明显的宏观 裂纹。 通过对全国各主要港口门机金属结构故障的调查和归纳总结f 3 1 ，各港口门机 金属结构故障状况及综合所有被调查港口门机裂纹所在部位分布情况分别如表 1 1 和表1 2 所示。 表1 1 i 机金属结构故障情况调查 港口名称调查台数金属结构主要故障裂纹所占比重 广州港 6 8 折断、裂纹、变形、9 0 厦门港 9 折断、裂纹、变形、腐蚀7 0 9 6 汉阳港 1 4 裂纹、变形、锈蚀7 3 5 上海港 6 3 折断、裂纹、变形 天津港 2 6 裂纹、变形、锈蚀 大连港 6 9 裂纹、变形、锈蚀 障。 注：上海港、天津港、大连港对结构裂纹比重虽未作具体统计，裂纹仍然是最主要的故 表1 - 2 门机裂纹所在部位分布情况 裂纹部位所占比例 机房与转柱连接处2 4 1 1 法兰盘与支腿连接处 2 4 8 2 配重、平衡重、支撑铰1 6 3 1 人字架1 4 小拉 杆 6 3 大拉杆4 9 6 象鼻梁 3 5 臂架1 2 7 6 其它5 6 由调查结果可知：港口门机金属结构在正常运营一段时期后( 一般为1 0 年左 右) ，金属结构就会出现不同形式的故障。常见的故障形式有结构变形、裂纹、 锈蚀、断裂等，其中裂纹是金属结构的最主要故障，它是影响门机安全运行的最 大隐患，也是有关各方关注的焦点。从裂纹发生的部位来看，裂纹一般在重要的 承载构件上，这些地方受力比较复杂。有些裂纹发生在焊缝上，然后向母材扩展。 以往，门座起重机的校核都仅限于强度和刚度两方面，疲劳没有校核过。但 是，门座起重机零部件的更换往往都是由于疲劳所引起的，更换零部件多耗人力 2 武汉理工大学硕士学位论文 财力物力。因此，加强门座起重机疲劳问题的研究，普及抗疲劳设计的理论和方 法有着十分重要的意义；而如何对已经产生明显宏观裂纹的门座起重机进行疲劳 裂纹监控也是摆在我们面前的一个全新课题。 1 3 国内外疲劳研究的发展水平与现状 1 3 1 国外情况概述 国外发达国家的的疲劳研究自二次世界大战以来发展很快。目前的状况大致 归纳如下1 4 j ： ( 1 ) 电子显微镜、扫描电镜等新型科学仪器在疲劳研究中的使用，使研究人 员对疲劳裂纹的萌生与扩展机理较以前有了更高程度的了解。 ( 2 ) 虽然在机械零部件的形状、尺寸和表面加工情况等因素对疲劳强度的影 响机制方面做出了新的研究，提出了一些解释或假说，但还不很成熟，还不能定 量解释各种试验现象。目前，主要是靠试验曲线解决许多工程实际问题。 ( 3 ) 对疲劳累积损伤问题虽然进行了大量的试验研究工作，但仍未得出显著 成效。在机械设计中，估算变幅载荷下的疲劳寿命，还主要是采用最简单的线性 累积损伤理论m i n e r 法则。 ( 4 ) 在疲劳设计方面，除常规的无限寿命设计方法外，允许零构件应力水平 较高的有限寿命设计方法( 包括名义应力法和局部应力一应变分析法) 已在机械 设计中得到广泛应用。此外，损伤容限设计和疲劳可靠性设计业已开始使用。 ( 5 ) 发现某些机械的破坏并非由高周疲劳引起，而主要是由低周疲劳产生或 由低周和高周共同作用下的双频疲劳所产生。发展出一种关于低周疲劳设计计算 新的有限寿命设计方法一局部应力应变分析法。这种方法也适用于高周疲劳。 但对双频疲劳所做的工作还不多。 ( 6 ) 由于疲劳计算只能估算疲劳寿命，精确确定零构件疲劳寿命仍需靠疲劳 试验。因此，模拟机械实际工况下的全尺寸模型模拟疲劳试验发展很快。电子计 算机技术的发展与使用也为全尺寸模型模拟疲劳试验创造了有利条件。 ( 7 ) 疲劳试验中，广泛采用概率统计方法进行试验设计和数据处理。在疲劳 设计中，已开始利用概率统计方法进行疲劳可靠性设计。但由于基础数据不够， 尚处于探索和积累数据阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 断裂力学的发展，促进了疲劳研究和疲劳设计工作的发展，并发展出一 种新的抗疲劳设计方法损伤容限设计。目前，断裂力学和疲劳这两门学科已越 来越紧密地结合在一起，互相渗透，相辅相成。 ( 9 ) 疲劳试验的研究工作，已由正常条件下的疲劳问题逐渐扩展到特殊条件 下的疲劳问题。如腐蚀疲劳、微动磨损疲劳、高温疲劳和复合应力疲劳等等。 ( 1 0 ) 对提高零部件疲劳强度的强化方法，特别是表面冷作方法进行了很多 研究，许多方法和工艺成效显著，已得到广泛应用。 1 3 2 国内情况简述 与国外相比，我国的疲劳研究工作开展的很晚，大约在二十世纪5 0 年代末到 6 0 年代初，才在个别单位开展一些疲劳试验研究工作。曾零星地解决了一些生产 实际问题，但由于未做系统的基础工作，总的来说研究水平不高。 1 9 7 8 年开始，我国组织了一些研究院所、高等院校和厂矿企业，对机械产品 的抗疲劳设计方法和国产材料的抗疲劳设计数据进行了较系统的试验研究，进展 最快的是航空和航天工业部门。目前，我国的科研和工程技术人员在疲劳机制、 疲劳失效分析、疲劳裂纹扩展速率、疲劳试验数据处理、典型零部件的疲劳强度、 腐蚀疲劳、接触疲劳、低周疲劳和表面强化等方面作了很多工作。在“六五 和 “七五一期间机械工业部郑州机械研究所和东北大学等七家科研单位对抗疲劳的 设计方法和抗疲劳设计的基础问题进行了大量的实验研究工作，取得了国产材料 较系统的疲劳性能数据和抗疲劳设计数据，为使用国产材料进行无限寿命设计和 有限寿命设计打下了初步基础。 目前，我国工业行业的各个领域中，设计人员在进行结构或零件设计中，对 于重要的承受循环应力作用的零构件已经采用了抗疲劳设计。有些行业也相应的 制订了一些适合本行业情况的疲劳设计规范或标准。从结构疲劳研究的投人、规 模和研究水平来看，仍然是航空领域走在前列。尽管我国的疲劳研究工作已取得 了一定的成绩，有些工作已达到了国际先进水平。但目前国产机械材料的抗疲劳设 计数据还不够完整、各种机械产品的抗疲劳设计规范还没有健全或不够完善。总 的来说，与发达国家相比，还有一定的差距。因此，在我国加强疲劳问题的研究， 普及抗疲劳设计的理论与方法意义重大。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 疲劳裂纹扩展的国内外研究进展 从4 0 年代以来，疲劳问题一直吸引着许多力学和材料科学家的关注【5 1 。迄今 为止，人们己提出了上百种寿命预测模型。疲劳破坏不同于一般的断裂，归根到 底在于那些或明或暗的裂纹，一般经过微观裂纹萌生与扩展，宏观裂纹萌生与扩 展的过程，最后导致突然的断裂。许多构件由于焊接、腐蚀或材料本身的组织缺 陷而萌生裂纹，在疲劳载荷的作用下扩展并最后断裂，常常会导致灾难性事故的 发生。裂纹的发生发展过程主宰着失效过程，因此如何评定在役构件中的疲劳裂 纹，既允许它们存在又要防止它们引起构件的失效，是整个疲劳学界面对的一个 重要课题。此方面的深入研究有助于我们正确地进行寿命预测，适各层次尺度涉 及固体力学、材料科学与物理学的跨学科领域。了解断裂过程才能阐明裂纹的演 变史，虽然本构方程、损伤率和断裂准则等概念可以经验性地刻画破坏过程的一 些宏观断面，但却不能揭示本质。因此人们对裂纹问题的研究开始重返微观，出 现了宏、细、微观相结合的分析方法，推动了研究的进展。通过引入多层次的缺 陷背景和损伤、断裂机制来研究材料从变形、损伤到失效的全过程。 4 0 年代末人们开始研究疲劳裂纹扩展。当时给出的疲劳裂纹扩展速率表达式 的形式有： = d a ：彳仃一a n ( 1 - 1 ) 烈 式中仃为外加应力，a 为裂纹长度，a 、m 和n 为试验确定的常数。观察到m = 2 n ， 这为以后将a k 引进疲劳裂纹扩展的研究，有某种启示意义。 5 0 年代以后，随着断裂力学的发展和电子显微镜的应用，疲劳裂纹扩展的研 究取得突飞猛进的发展。疲劳裂纹扩展的研究在微观和宏观两方面同时展开。在 微观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的微观机制和相关的微观力学模型：疲劳裂纹 扩展有四种可能的机制，即条带机制、微区解理、微孔连接和晶间分离。其中， 对疲劳条带的观察，给出了关于疲劳裂纹扩展的最有价值的信息，并据此提出疲 劳裂纹扩展的微观力学模型，如l a i r d 模型、微孔联接模型等。这为宏观方面的研 究提供了物理根据。宏观方面，主要是研究疲劳裂纹扩展的力学模型和疲劳裂纹 扩展速率表达式。 6 0 年代，宏观方面取得了最重大的成就，由p a r i s 和e r d o g a n 首次应用断裂力 学的理论束研究疲劳裂纹的扩展问题，给出了裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展 武汉理工大学硕士学位论文 速率的关系表达式。该表达式就是著名的p a r i s 公式： d a = c a k 一( 1 - l 一) 一= kl， d 式中c 和以是与材料有关的两个常数，可由试验确定；而a k 则为应力强度因子的 幅度。 p a r i s 的开创性的工作，是将a k 引进疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂纹扩 展的控制参数是a k ，且p a r i s 公式仅适用于中部区，即稳态裂纹扩展区。其后， f o r m a n 提出适用于中部区和裂纹快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式。同时， 对影响疲劳裂纹扩展速率的因素，以及影响p a r i s 公式中的指数和系数的因素，包 括内因和外因，都作了研究。疲劳裂纹扩展的理论模型给出n = 2 或4 ，但是，对 金属材料，1 1 在1 4 9 6 7 之间变化；而对陶瓷等脆性材料，n 更可高达4 0 以上。 7 0 年代，提出a k 脯的概念并实验测定了a k 曲。此后，提出了适用于近门槛区 和中部区的疲劳裂纹扩展速率表达式，以及适用于近门槛区、中部区和快速扩展 区的疲劳裂纹扩展速率表达式，总计达1 0 0 余个疲劳裂纹扩展速率表达式。同时， 提出了裂纹张开和闭合的概念，并实验测定了，从概念上讲，应有k 单= 吣。， = c 。但如和丛埔究竟有怎样的内在联系，仍不清楚。 1 5 本文的主要工作 本文采用b s 5 4 0 0 标准，以门座起重机金属结构为研究对象，运用有限元分析 软件a n s y s 及其参数化技术对门机的运行过程进行参数化建模，根据门机典型 工作工况制定门机典型疲劳载荷谱，并对门机结构疲劳强度进行分析；通过分析 疲劳结果，找出载荷谱与疲劳结果之间的关系，进而得到设计中如何改善门机金 属结构疲劳强度的措施及门机使用过程中如何减少结构的疲劳累积损伤。本文的 主要工作如下： ( 1 ) 运用a n s y s 软件中的a p d l 语言编制命令流实现门机运行过程的参数 化建模，并对门机金属结构进行强度分析； ( 2 ) 分析岸边集装箱起重机疲劳载荷谱的特点，并根据门机典型工作工况制 定门机典型疲劳载荷谱，并分析影响门机典型疲劳载荷谱的相关因素； ( 3 ) 依据b s 5 4 0 0 标准，利用v i s u a lc + + 程序对门机典型疲劳载荷谱下的结 构疲劳强度进行分析，并对疲劳分析结果与门机裂纹的实际情况进行比较，并以 6 武汉理工大学硕士学位论文 计算疲劳数据为基础，绘制疲劳云图； ( 4 ) 通过分析疲劳结果，找出载荷谱与疲劳结果之间的关系，进而分析得出 设计中，如何改善门机金属结构疲劳强度及门机使用过程中如何减少结构的疲劳 累积损伤： ( 5 ) 研究疲劳裂纹的扩展特性，根据门机有限元分析结果探讨门机疲劳裂纹 的监控。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章疲劳特征及疲劳分析方法 2 1 疲劳破坏的特征 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材 料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷 重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏【6 】。 疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成 裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。 在现代工业中，很多零件和构件都是承受着交变载荷作用的。过去，这些零 件或构件一直是采用材料力学公式，即基本上按静不变载荷适用的公式来进行设 计和计算的，有的部门直到现在还在沿用这种传统的方法。 众所周知，材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能( 比如弹性极限、 屈服极限、强度极限) 的，这些机械性能没有充分反映材料在交变应力作用下的 特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件或构件，如果还是按静载荷去设计， 在使用工程中往往就会发生突如其来的破坏。 疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别： ( 1 ) 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用 下产生的破坏，他不是短期内发生的，而是要经历一定的时间，甚至很长时间才 发生破坏。 ( 2 ) 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力 在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。 ( 3 ) 静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显 著塑性变形迹象，那怕是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易 觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。 ( 4 ) 在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏 的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维 状。因为疲劳破坏时，首先在某一点产生微小的裂纹，这个裂纹的起点叫做“疲 劳源”，裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复的变形，裂开的两个面， 武汉理工大学硕士学位论文 时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成了一个平滑区域。在交变载荷继续作 用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时， 就会在某一载荷作用下突然断裂。这种突然性的破坏，常使材料的断裂面呈粗粒 状或纤维状。 ( 5 ) 静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、 构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。 2 2 抗疲劳设计准则 2 2 1 无限寿命设计 人们第一次认识到的疲劳破坏，是1 9 世纪4 0 年代的铁路车辆轮轴在重复交 变载荷作用下发生的破坏【刀。德国工程师a u g u s tw o h l e r ( 1 8 l 卜1 9 1 4 年) 进行了 一系列的试验研究后指出：“对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。 应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅小于某一极限值时，将不发生疲劳破坏。一 他最先引入了应力寿命( s - n ) 曲线和疲劳极限的概念，并于1 8 6 7 年在巴黎展出 了其研究成果。 基于上述研究成果可知，对于无裂纹构件，控制其应力水平，使其小于疲劳 持久极限( s ，) ，则不萌生疲劳裂纹。于是，无限寿命设计( i n f i n i t e - l i f ed e s i g n ) 条件为 s 1 0 7 次) 的零部件，如发动机气缸阀门、顶杆、弹 簧、长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是一种简单而合理的方法。 2 0 世纪6 0 年代研究裂纹扩展的结果指出，裂纹扩展的控制参量一应力强度 因子幅度也存在着一个门槛值。对于已有裂纹存在的构件，控制其应力强度因子， 使其小于门槛值，侧虽有裂纹但不扩展，也可实现无限寿命设计。 2 2 2 安全寿命设计 无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜力得不 到充分的发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经 济。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 4 5 年，m a m i l l e r 提出了变幅载荷作用下的疲劳损伤累积方法和判据，使 变幅载荷作用下的疲劳寿命预测成为可能。 使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计 ( s a f e - l i f ed e s i g n ) 或有限寿命设计。民用飞机、容器、管道、汽车等，大都采用 安全寿命设计。 材料的s - n 曲线和m i n e r 累积损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考 虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。 2 2 3 损伤容限设计 由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。 1 9 5 7 年，g r i r w i n 提出了裂纹尖端场控制参量应力强度因子k 的概念，为 线弹性断裂力学和疲劳裂纹扩展规律的研究奠定了基础。1 9 6 3 年，p g p a r i s 提出 疲劳裂纹扩展速率可以由应力强度因子幅度a k 来描述。这使疲劳裂纹扩展寿命预 测研究得到快速发展。 损伤容限设计( d a m a g et e l e r e n c ed e s i g n ) ，是为保证含裂纹或可能含裂纹的 重要构件的安全，从2 0 世纪7 0 年代开始发展并逐步应用的一种现代疲劳断裂控 制方法。这种方法的设计思路是：假定构件中存在着裂纹( 依据无损探伤能力、 使用经验等假定其初始尺寸) ，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证， 保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以破坏。 断裂判据和裂纹扩展速率方程是损伤容限设计的基础。 损伤容限设计希望在裂纹到达临界尺寸a ，前检出裂纹。因此，要选用韧性较 好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的临界裂纹尺寸口和充分的时间，安 排检查并及时发现裂纹。 2 2 4 耐久性设计 2 0 世纪8 0 年代起，以经济寿命控制为目标的耐久性设计( d u r a b i l i t yd e s i g n ) 概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量 度量。这种方法首先要定义疲劳破坏严重细节( 如孔、槽、圆弧、台阶等) 处的 初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳状态，再用疲劳或 疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定 l o 武汉理工大学硕士学位论文 使用、维修方案。 结构使用到某一寿命时，发生了不能经济修理的广布损伤，而不修理又可能 引起结构的功能问题，这一寿命称为经济寿命。 耐久性设计由原来不考虑裂纹或仅考虑少数最严重的单个裂纹，发展到考虑 全部可能出现的裂纹群；由仅考虑材料的疲劳抗力，发展到考虑细节设计及其制 造质量对疲劳抗力的影响；由仅考虑安全，发展到综合考虑安全、功能及使用经 济性；提供指导设计、制造、使用、维护的综合信息。耐久性设计已经开始应用 于一些飞机结构及其它重要工程构件中，是2 1 世纪疲劳断裂控制研究的一个主要 发展方向。 上述各种疲劳设计方法，都反映了疲劳断裂研究的发展与进步。但是，由于 疲劳问题复杂，影响因素多，使用条件和环境差别大，各种方法不是相互取代， 而是相互补充的。不同构件，不同情况，应当采用不同方法。 正因为疲劳问题涉及因素多，情况复杂，对重要构件的抗疲劳设计必须进行 充分的试验验证。若仅依据分析，则必须保证足够的安全裕度( 其设计使用寿命 往往仅为计算寿命的l 似l 1 0 ) 。采用损伤容限设计时，在安排检修时必须保证 足够高的裂纹检出概率。 2 3 抗疲劳设计方法 现在国际上广泛使用的抗疲劳设计及疲劳寿命估算方法主要有以下几种：名 义应力法，局部应力应变法，损伤容限设计，概率疲劳设计。 2 3 1 名义应力法 以名义应力为基本参数的抗疲劳设计方法称为名义应力法，是最早使用的抗 疲劳设计方法。其设计思路是：从材料的s - n 曲线出发，综合考虑各种影响系数 的影响，得出零构件的s n 曲线，并根据零构件的s n 曲线进行设计。当使用s - n 曲线的水平区段进行设计时称无限寿命设计。当使用s n 曲线的倾斜部分进行抗 疲劳设计时称为名义应力有限寿命设计。 2 3 2 局部应力应变法 局部应力应变法是以应变集中处的局部应力、应变为基本参数的抗疲劳设计 l l 武汉理工大学硕士学位论文 方法，是估算零构件疲劳裂纹形成寿命的一种重要方法。局部应力应变法估算结 构及构件疲劳寿命的出发点在于：结构和构件的疲劳破坏总是在应力集中的部位 产生，虽然结构和构件的名义应力还处在弹性范围之内，但发生疲劳破坏的应力 集中部位，应力超过屈服极限，产生塑性变形。因此，决定零构件疲劳强度和寿 命的是应变集中处的最大局部应变。此时不能再应用应力寿命关系( s - n 曲线) 来估算剩余疲劳寿命，而应该用循环应变和寿命的关系来估算结构构件的疲劳寿 命。 2 3 3 损伤容限设计 损伤容限设计方法是假定零构件内存在有初始裂纹，应用断裂力学方法来估 算其剩余寿命，并通过试验来校验，确保使用期内裂纹不致扩展到引起破坏的程 度。这种方法要求解决的闯题有：分析和找出初始裂纹的部位( 或危险部位) ； 确定最小可检测裂纹的长度；确定临界裂纹长度或损伤程度；确定出现裂纹或损 伤后的剩余强度，特别要确定最大损伤时所能承受的安全载荷。 2 3 4 概率疲劳设计 概率疲劳设计也称为疲劳可靠性设计，是根据零构件的工作应力与疲劳强度 相联系的统计方法而进行的机械零构件抗疲劳设计的方法，是概率统计方法在疲 劳设计中的应用。 每种抗疲劳设计方法都有一定的适用范围。一般来说，对于高周疲劳，常用 名义应力法。对于低周疲劳，则局部应力应变法比较合适。对于具有初始缺陷或 裂纹的零构件，应当使用损伤容限设计。为了考虑应力与强度分散性的影响，提 高零构件的可靠性，需要应用概率疲劳设计。 2 4 抗疲劳设计方法在起重机械中的运用情况 当前，世界上很多国家都制订有起重机标准。具有代表性的有日本、德国、 美国、英国等国家的起重机标准以及f e m 、i s o 、i e c 等国际标准8 1 。现行的各个 国家的起重机设计规范都对起重机金属结构的疲劳设计提出了具体的要求。概括 起来主要有两种方法：应力比法和应力幅法。 以美国为例，沿用应力比法已有近1 0 0 年的历史，直至1 9 6 7 年8 月，美国 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 n c h r p ( 公路研究协作机构) 完成了一系列大规模的疲劳试验研究，发现同一应 力幅水平不同结构形式的试验钢梁具有接近的疲劳寿命，尽管试验的最小应力、 最大应力和应力比相差悬殊，但它们对最终结果没有什么影响。同时，不同结构 连接形式对疲劳强度存在着影响。一些带有补强板的结构，虽然可以提高强度， 但对疲劳寿命却有明显削弱；认为焊接结构的疲劳抗力与应力幅的关系更密切。 随后美国钢结构规范便从应力比法改为应力幅法，但非焊接的钢结构都保留应力 比法。1 9 7 7 年，美国a a s h o 公路桥、a r e a 铁路桥，以及美国、德国的钢结构 规范也相继采用应力幅法计算钢结构疲劳强度。不论是应力比法还是应力幅法， 它们的应力循环参数是一致的，都是由最大应力仃懈和最小应力盯曲两个独立变 量演绎出来的。 2 4 1 应力比法 所谓应力比，即为极值应力之间的比值。如果盯一和盯曲是这些极值应力的 代数值( 拉应力取正号，压应力取负号) ，仃一为绝对值较高的极值应力，则比 值，可以写成： 厂= 口曲仃嘣 ( 2 - 2 ) 以起重机具有代表性的实际预期正常工作状态下( 一般为第1 类载荷组合条 件) ，计算结构最大、最小应力。把最小应力与最大应力的比值y 定为应力循环 特性，并根据这一应力循环特性和相关的公式计算疲劳许用应力。若最大应力未 超出疲劳许用应力值，即 仃一s l o - ，j ( 2 3 ) 若上式成立，则认为不会发生疲劳破坏 疲劳许用应力i 盯，i 要考虑应力比、结构连接形式、循环次数和材料等的影响。 目前，我国的起重机设计规范( 3 8 j j 船) 、欧洲起重机设计规范 ( f e m 标准1 9 9 8 年修订版) 和德国d i n l 5 0 1 8 i 1 1 9 8 4 等规范用的都是应力比法。 2 4 2 应力幅法 所谓应力幅，即为最大应力和最小应力代数差，即 a c t = 仃麟一仃m j n = ( 1 7 ) 宰仃一 ( 2 - 4 ) 英国b s 5 4 0 0 标准、日本j i s 标准和美国a s m e n o g j 2 0 0 2 规范用的都是应力 幅法。这些起重机设计规范中，有两种应力幅方法用于起重机金属结构的疲劳设计。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在起重机结构疲劳计算的工况下，计算结构计算点上的最大、最小应力， 应力幅度( 最大应力最小应力) 不应大于许用应力幅度值。显然，这一方法也是 抗疲劳设计方法中的名义应力法。美国国家标准桥式起重机结构规范 ( a s m e n o g - i - 2 0 0 2 ) 规定用此法进行结构的疲劳设计。 ( 2 ) 在起重机整个寿命期内，计算出计算点各级应力变化的范围( 幅度值) 并用计数法得到在各级应力范围作用下的循环次数n ，。在基本的s - n 曲线的斜线 部分得到各级应力范围作用下的疲劳寿命m ，与m 的比值的累计值应不大于 1 0 。即： y 旦1 0 ( 2 5 ) - n j 这一算法也称m i n e r 法则。它是一种线性的疲劳损伤累积累论，是名义应力 有限寿命设计。英国的b s 5 4 0 0 标准即用这一方法来估算结构的疲劳寿命。 除了上述两种方法外，目前还有一些科研人员利用疲劳的损伤容限设计方法 对起重机结构的疲劳裂纹和寿命之间的关系做了大量研究，并运用于实际。但此 法尚未普遍推广。 2 5 本章小结 本章首先对疲劳的基本概念作了论述；然后阐述了疲劳破坏的相关特征、抗 疲劳的设计准则和抗疲劳设计方法；最后，本章对现行各个国家的起重机设计规 范中使用的两种起重机金属结构的疲劳设计方法作了介绍。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章门机有限元模型及强度分析 正确合理的建立门机金属结构的有限元模型是整机结构强度分析和疲劳分析 的基础。因此应根据门机结构特点合理地、正确地建立门机有限元模型。 3 1 1 门机结构特点 一般地，门机的运行过程分为起升、回转、变幅和大车运行，每一次工作循 环中都包含前3 个过程，其中起升过程为起升机构带动货物在垂直平面内做上下 移动；回转过程为回转机构带动货物一起在水平面内以转台d e , l , 为轴线做回转运 动；变幅过程为齿条带动臂架系统在垂直平面内的左右移动。 本文以m q - 1 0 3 0 为研究对象论述，其结构的主体部分如图3 一l 所示。 图3 1 门机的主体结构 l 、运行机构2 、锚定装置3 、防爬装置4 、防风拉索5 、圆筒门架6 、梯子栏杆 7 、转台总成8 、机器房9 、变幅机构l o 、立柱及平衡系统 l l 、负荷取力装置 1 2 、抓斗稳绳装置1 3 、司机室1 4 、电缆卷绕装置1 5 、臂架系统 1 6 、吊钩总成 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 1 变幅过程分析 如图3 2 所示，货物在b c 水平线上左右移动为变幅过程，变幅过程可描述 为臂架与水平线的初始夹角口到最终夹角缸+ 口) ，变幅角为a a 。分析门机的结 构特点可知，门机变幅过程是通过四连杆机构来实现的，如图3 3 所示。 0 图3 - 2 变幅示意图 b 图3 3 四连杆机构变幅简图 图3 3 中，四连杆的长度分别为l 1 、l 2 、l 3 、l 4 ；臂架与水平线的夹角口； 变幅过程中，臂架l l 绕a 点旋转的角度a a ；初始情况下，臂架l l 和机架l 4 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 之间的夹角；整体坐标系为x o y ，四连杆机构的局部坐标系为x a y 。由于在 变幅过程中机架a d 是固定的，其两端点的坐标分别为( x a ，y a ) 、( x d , y d ) ， 因此可以根据以下步骤求出l 3 与x 轴的夹角、l 3 与水平线的夹角和变幅前 后b 、c 两点的坐标。 将四连杆机构a b c d 看作一个封闭矢量多边形，以l 、三2 、三3 、4 分别 表示各构件的矢量，该机构的封闭矢量方程式为 五十历：历+ 历 ( 3 1 ) 以复数形式表示为 l l e n + l 2 e 晚= l 3 e 吻+ l 4 ( 3 2 ) 规定角沙应以x 轴的正向逆时针方向度量。 将( 3 2 ) 式按欧拉公式展开得 l l ( e o s g 1 + i s i n 1 ) + l 2 ( c o s2 + i s i n y 2 ) = l 3 ( c o s 缈3 + i s i n 沙3 ) + l 4 该方程式的实部和虚部应分别相等，即 d c o s + 2 c o s 2 三3 c o s + 三4 ( 3 3 ) l 1 s i n 9 1 + l 2 s i n 沙2 = l 3 s i n 驴, 3j 消去5 f ，：后得到 a e o s g 3 + b s i n y 3 + c = 0 ( 3 - 4 ) 式中系数 a = l 4 - l i c o s 沙i b = 一l l s i n 缈l a 2 + b 2 + l 3 2 一l 2 2 o 一一 2 三3 又因s i n c t 3 = 端c o s g t 3 = 而l - t 9 2 ( q 3 2 ) 代入式( 3 4 ) 得关于留( 缈3 2 ) 的元二次方程式，由此解出 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 y 3 = 2 a r c t g b + a _ 2 一+ c b 2 - c 2 一 ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 求得的帆有两个值，它说明在满足相同的杆长条件下，该机构有两 种装配方案，根号前为“+ 号的值适用于图3 3 所示机构a b c d 位置的装配， 根号前为“一一号的值适用于该机构关于直线a d 的对称图形。究竟该取哪个 应根据杆3 的初始位置和运动条件来确定。 杆l 3 与水平线的夹角为 = 口+ 一y 3 ( 3 6 ) b 、c 两点的整体坐标分别为 x 口= e + l 1 c o s a 匕= 匕+ l l x s i n a 如= + l 3 x c o s p ( 3 7 ) 圪= + l 3 s i n b 变幅后，臂架l 1 与水平线的夹角由口变为位+ 口) ；臂架l l 和机架l 4 之 间的夹角由变为缈l 一口) 。以 + a a ) 和( 一a a ) 分别代替口和沙。代入上述 式子，即可求得变幅后的少，、和b 、c 两点的整体坐标。 由于在整体坐标系下机架a d 两端点的坐标( x a ，y a ) 、( x d , y d ) 、四连杆 的长度l l 、l 2 、l 3 、l 4 、臂架l l 与水平线的夹角口、臂架l l 和机架l 4 之间的 夹角均为定值，故只要控制变幅增量厶口的大小，即可得到变幅过程中任一位 置b 、c 两点的整体坐标