2起重机关键结构件疲劳剩余寿命评估方法

针对起重机金属结构的主要破坏形式：疲劳断裂，将桥式起重机主要承载构件——焊接箱形主梁跨中危险截面作为研究对象，利用如上所述方法获取的起重机当量载荷谱，起重机安全监控系统以Miner线性损伤累积理论、线弹性断裂力学理论和雨流计数法为理论基础，运用Paris，Eadogan方程，推导疲劳剩余寿命计算公式，完成通用类桥式起重机疲劳剩余寿命估算。

2．1 Miner线性损伤累积理论及其应力幅等效法

Miner线性累积损伤理论认为【7岱J，在疲劳试验中，试件在某一给定的应力或应变水平作用下，损伤可以认为是与应力或应变循环次数成线性累积关系，当损伤累积达到某一临界值时就发生破坏。鉴于我国的《钢结构检测评定与加固技术规程》(YB9257．96)和美国的ASSTHO均采用了Miner理论，本文亦用Miner线性损伤累积理论作为桥式起重机焊接箱形梁的疲劳寿命估算的基础，认为焊接箱形梁的损伤符合线性累积。Miner线性累积损伤理论认为：结构件在仉作用下，每经过一次应力循环后的损伤为1／M；经过刀f次循环后的损伤值为D，：以；／Ⅳ；，则材料在疲劳破坏时的总损伤累积值D =。∑Ⅲ 生M式中m——f级应力循环作用次数M——f级应力循环下的疲劳寿命当总损伤累积值D达到l时，则表示结构发生破坏。

另外，大量的试验研究表明，变幅载荷能够用一等效的等幅载荷来替代，即用一个等效的等幅载荷试验同样的试件将得到与变幅载荷作用下相同的寿命，裂纹扩展情况也基本相同。等效变换的方法比较多，比如Miner等效法、方均根等效法等，本文采用Miner应力幅等效法。应力幅等效公式为通过Miner应力幅等效公式结合Miner疲劳损伤累积理论，可比较准确的将变幅载荷中的各级应力幅换算成一个等效应力幅，使复杂计算简化。

2．2基于线弹性断裂力学理论的疲劳剩余寿命

计算公式

大量的结构断裂事故表明，断裂与结构的初始缺陷和裂纹有关。起重机箱形主梁采用焊接结构，在焊接接头中不可避免地存在有气孔、夹渣、未焊透等初始缺陷，而这些焊接缺陷很容易萌生疲劳裂纹，即焊接结构件的疲劳裂纹均明显地始发于初始缺陷，因此起重机安全监控系统可将这些初始缺陷看作是已开始的裂纹。断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构在各种使用环境下裂纹的扩展、失稳和止裂的规律，并以裂纹的尺寸和裂纹的扩展速率为结构损伤的判据，来估算疲劳裂纹的扩展寿命。因绝大部分焊接结构件的全部疲劳寿命是由裂纹扩展阶段决定的【9锄】，因此，可以应用断裂力学法计算起重机箱形主梁焊接接头的疲劳裂纹扩展寿命，以此作为起重机的疲劳剩余寿命。

断裂力学指出，根据疲劳裂纹扩展速度山I dN与应力强度因子幅值AK之间的关系，可将疲劳裂纹扩展分为3个阶段，第1阶段裂纹不扩展阶段、第2阶段裂纹临界扩展阶段，第3阶段裂纹快速扩展阶段。其中第2阶段是疲劳裂纹扩展的主要阶段，也是决定疲劳裂纹扩展寿命胡主要组成部分，对该阶段的关系，通常采用线弹性断裂力学公式描述。

将式(4)代入式(3)，积分后可获得由初始裂纹ao扩展到失效裂纹口，所经历的应力循环次数，即金属构件的疲劳剩余寿命

2．3雨流计数法

雨流计数法是由MATSUISⅪ和ENDO等考虑豫了材料的应力一应变行为而提出的一种计数方法，认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且其塑性性质表现为应力一应变的迟滞回线，因而假定一个大的应力应变循环对材料造成的损伤，不受为完成一个小的载荷循环所截断的影响，由此将构成较小迟滞回线的载荷循环从整个载荷循环中提取出来，其计数结果与材料的“记忆”特性相一致。因此，雨流计数法已成为国内外应用最为广泛的一种统计计数方法，有关该方法的详细论述可参考相关文献。

3工程实例

以VC++6．0为软件平台，开发通用桥式起重机当量载荷谱神经网络获取机制及其疲劳剩余寿命计算软件。

3．1评估对象

以某企业于2006年生产的75／30 t、跨度28．5 m的通用桥式起重机为评估对象，其主要技术参数如下：工作级别A6，轮距4．5 m，起升高度14 m，起升速度1／9 m／min，大车速度为50 rn／min，小车速度为20 rn／min，上(下)盖板厚×长为18 111111×800 mm，腹板厚×高8 mmx2 100 ITlm，轨道型号QU80。

3．2参数设置

C与以是与试验条件有关的材料常数，可以通第1I阶段(裂纹临界扩展阶段)以及第1II阶段(裂纹快过试验测出。对于大多数工程常用的金属材料，速扩展阶段)。其中第lI阶段是疲劳裂纹扩展的主要甩=2,--．,41n1,根据试验，起重机焊接箱形梁采用Q235纹的起裂长度，其值约在O．5～2mill范围内【12】，这里取0．5mrll。失效裂纹尺寸，，的取值由裂纹处的应力强度因子以及材料的断裂韧度决定，根据相关起重机安全监控系统试验分析和文献【15-16]，并经计算验证，，，=80～100mm所得的疲劳寿命相差不大，考虑到额定起升载荷为75 t的桥式起重机实际工作状况中的应力范围，取0=90mm。

3．3疲劳剩余寿命计算

应用上文所述的起重机疲劳载荷谱获取方法获取样机的当量载荷谱，如表2所示，将其转化为主梁跨中危险截面危险点处的疲劳应力谱；用雨流计数法从疲劳应力谱中提取各级应力幅、各级应力幅的循环次数及总循环次数；根据Miner疲劳损伤应力幅等效公式计算出该疲劳应力谱的等效应力幅仃。；将等效应力幅值仃。代入金属构件疲劳剩余寿命的计算公式，即可估算出起重机主梁的疲劳剩余寿命。为进一步验证所述方法的有效性，对该起重机进行了为期50 d的现场跟踪实测。相关计算和实测结果如表3所示。

剩余寿命35．6年的相对误差不超过10％，说明应用本文所述方法计算起重机的疲劳剩余寿命是可行和有效的。

4结论

(1)基于神经网络获取当量载荷谱的起重机疲劳剩余寿命估算方法，是针对起重机使用工况高度随机性和不确定性而提出的有别于传统试验和模拟仿真的一种估算起重机疲劳剩余寿命的创新思想。

(2)利用训练好的网络模型，通过计算机可快速获取该类型起重机的相当于实际载荷谱的当量载荷谱及估算其主梁的疲劳剩余寿命，大大节省起重机现场实测的烦琐过程和大量投入，实现获取当量载荷谱方便及能准确估算起重机主梁疲劳剩余寿命的目的。

(3)应用本文方法与实测应力谱计算的疲劳剩余寿命相比相对误差不超过lo％，在工程上可以接受，表明本方法是可行和有效的。