基于MSC.Fatigue的門(mén)式起重機(jī)主梁疲勞壽命預(yù)算

曾祥志

（吉林省大乘鋼材加工有限公司，吉林 長(zhǎng)春100070）

Fatigue（疲勞）一詞最早出現(xiàn)在早拉丁文中（Fatig?re），通常是指人的身體和精神上的勞累。作為工程術(shù)語(yǔ)，疲勞用來(lái)反應(yīng)在循環(huán)變載荷作用下材料的損傷和破壞。在上世紀(jì)60年代，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)表的報(bào)告《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中對(duì)疲勞的定義是：“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞”[1-2]。疲勞的另一個(gè)定義是：材料在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程稱(chēng)為疲勞[36]。

根據(jù)研究對(duì)象、載荷條件、環(huán)境和介質(zhì)情況，疲勞有很多種分類(lèi)方法。

1）按研究對(duì)象可分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞；

2）按失效周次可分為高周疲勞和低周疲勞；

3)按載荷條件分隨機(jī)疲勞、沖擊疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)摩損疲勞和聲疲勞；

4)按溫度環(huán)境分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。

1 估算方法分析

名義應(yīng)力法是最早的抗疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算方法，它以零件或材料的曲線(xiàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞累積損傷理論，對(duì)照試件或結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，校核疲勞強(qiáng)度或計(jì)算疲勞壽命。

MSC.Fatigue的疲勞分析過(guò)程[3-4]可以用圖2的五步曲來(lái)表示[38]：

圖1 MSC.Fatigue疲勞分析五步曲Fig.1 Five Steps of MSC Fatigue Analysis

2 載荷信息分析

圖2 修正后的Q345鋼的P-S-N曲線(xiàn)Fig.2 Corrected P-S-N curve of Q345 steel

門(mén)式起重機(jī)械的主梁在工作中所經(jīng)歷的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，其變形均為線(xiàn)彈性變形，處于低應(yīng)力高頻疲勞狀態(tài)，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞屬于高周疲勞。因此，在運(yùn)用MSC.Fatigue進(jìn)行主梁的疲勞壽命分析時(shí)，運(yùn)用名義應(yīng)力法，即假設(shè)起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)中不存在裂紋缺陷，并結(jié)合Miner法則進(jìn)行全壽命分析。

為了起重機(jī)的安全，取置信度為99.9%時(shí)的疲勞極限值205.31MPa，得到修正后的Q345材料P-S-N曲線(xiàn)如圖2所示。

考慮到實(shí)際操作過(guò)程中，根據(jù)廠方提供的數(shù)據(jù)，該起重機(jī)滿(mǎn)載起重量為300t，每天起吊100000t的貨物，每周停止工作半天檢修，每天的循環(huán)次數(shù)為1000/3，以一天24小時(shí)為單位，把主梁承受的隨機(jī)載荷編制成符合實(shí)際情況的載荷譜圖。

3 疲勞壽命估算

運(yùn)用MSC.Fatigue疲勞分析軟件對(duì)造船門(mén)式起重機(jī)主梁鋼結(jié)構(gòu)分別在表1中各個(gè)工況載荷下進(jìn)行疲勞壽命分析計(jì)算，得到各個(gè)工況下的疲勞壽命云圖如圖3到圖6所示。

從計(jì)算結(jié)果可以得出：

1）該類(lèi)型造船門(mén)式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的最小壽命計(jì)算值為1.72×106小時(shí)，折合成年數(shù)為15.2年；

2）該類(lèi)型造船門(mén)式起重機(jī)主梁跨中以及端部上蓋板和側(cè)板焊接處的疲勞壽命相對(duì)比較短，應(yīng)作為檢修的重點(diǎn)巡檢部位；

3）若對(duì)這類(lèi)型退役的造船門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行再制造時(shí)，要特別注意其易發(fā)生疲勞損傷的危險(xiǎn)部位，使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探測(cè)其內(nèi)部肉眼不可見(jiàn)的潛在的疲勞裂。

表1 工況介紹Tab.1 Working conditions

圖3 工況一壽命云圖Fig.3 Life contours of Conditions one

圖4 工況二壽命云圖Fig.4 Life contours of Conditions two

圖5 工況三壽命云圖Fig.5 Life contours of Conditions three

圖6 工況四壽命云圖Fig.6 Life contours of Conditions four

［1］孫躍眾,何小娥,張鳳.起重機(jī)械主要零部件檢查及報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2009(9)：152-154.

［2］楊勇.岸邊集裝箱起重機(jī)剩余壽命及其損傷形式的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2009.

［3］王國(guó)軍.MSC.Fatigue疲勞分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

［4］楊天存.基于MSC.PATRAN的抓斗卸船機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞性能研究[J].2008.