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门式起重机应力谱与主梁疲劳寿命预估.docx
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门式起重机应力谱与主梁疲劳寿命预估.docx
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摘要
目前门式起重机疲劳事故频发,用于计算门式起重机寿命的应力谱难以获得,寿命预测公式与实际
工况差别较大。首先,对实测的一段时间内的门式起重机的特征参数分别进行似然比检测和拉丁超
立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)数值拟合,刻画出门式起重机载荷⁃ 应力历程的最
佳参数概率分布模型,再运用雨流计数法获得门式起重机寿命预估所需要的应力谱;然后,结合
Forman 疲劳裂纹扩展公式和 Miner 连续损伤理论,研究了线弹性裂纹与弹塑性裂纹的应力强度因
子,并推导出了门式起重机主梁在恒定载荷与交变载荷作用下的疲劳寿命公式;最后,运用上述方
法所得到的应力谱、寿命公式进行模拟计算和同步试验,并对模拟结果和试验结果进行比对,发现
模拟计算的应力谱与试验所得的应力谱的误差仅为 3.43%,验证了应力谱计算方法的正确性,且
该研究工况与门式起重机的工况更加接近,能较准确地预测出门式起重机的寿命。
Abstract
At present, the frequent fatigue accidents of gantry cranes are frequent, the stress
spectrum used to calculate the life of gantry cranes is difficult to obtain, and the life
prediction formula is quite different from the actual working conditions. First, the
measured characteristic parameters of gantry cranes in a period of time are
respectively tested by likelihood ratio and matched with Latin hypercube sampling
(LHS) values to depict the optimal parameter probability distribution model of
load-stress history of gantry cranes, and then the stress spectrum required for life
prediction of gantry cranes is obtained by using the rain flow counting method.
Secondly, combined with Forman fatigue crack growth formula and Miner's
continuous damage theory, the stress intensity factors of linear elastic crack and
elastic-plastic crack are studied, and the fatigue life formula of gantry crane girder
under constant load and alternating load is derived. Finally, the stress spectrum and
life formula obtained by the above methods are used for simulation and synchronous
experiment, and the simulation results are compared with the experimental results.
Through comparison, it is found that the error between the stress spectrums
calculated by simulation and the experiment is only 3.43%, which verifies the
correctness of the stress spectrum calculation method. The working condition of the
research is close to that of the gantry crane, and the method proposed can
accurately predict the life of the gantry crane.
译
关键词
应力谱; 仿真; 应力强度因子; 裂纹; 寿命预估
Keywords
stress spectrum; simulation; stress intensity factor; crack; life prediction
译
门式起重机是矿山、码头、货场、工厂以及施工现场常见的搬运设备,其主梁结构须经常承受交变
载荷的作用,一旦发生疲劳失效或断裂,将会造成严重的后果。为了预防事故的发生,需要掌握门
式起重机主梁疲劳裂纹处的应力谱数据,根据应力谱数据来预测疲劳寿命。常见的获得应力谱的方
法有现场实测法
[ 1]
和仿真模拟法
[ 2]
。门式起重机常年在户外工作,实测法需要长期不间断测试,
成本高、时间久、易受外部因素影响(测试元件在恶劣天气下容易损坏),实施起来非常困难;而
仿真模拟法虽成本低、速度快,但与实际工作循环差别较大。为了较准确地获得真实的应力谱,本
文对实测的门式起重机应力谱分别进行似然比检测以及三参数威布尔分布拟合,得到门式起重机应
力谱的最佳特征参数载荷-应力分布模型,再通过雨流计数法获得门式起重机寿命预估所需要的应
力谱,通过试验验证模拟应力谱的正确性,再将应力谱代入疲劳裂纹公式,计算门式起重机的寿命。
吴晓等
[ 3]
利用线弹性方法计算了门式起重机的寿命,由于门式起重机的裂纹尖端应力区有塑性变
形,因此不能完全按线弹性计算;左斌等
[ 4]
采用均方根的方法计算了门式起重机的寿命,由于均
方根方法为一种平均法,对门式起重机这种多级变幅载荷而言,采用均方根方法误差比较大。本文
研究了线弹性裂纹与弹塑性裂纹的强度因子以及扩展规律,采用 Forman 裂纹公式
[ 5]
,推导出门
式起重机在恒幅载荷作用下的疲劳寿命,并借助 Miner 连续损伤理论
[ 6]
,推导出门式起重机在多
级变幅载荷下的主梁疲劳寿命计算公式,最后将裂纹参数和模拟得到的应力谱代入主梁疲劳寿命计
算公式,计算出主梁的疲劳寿命。本文对起重机吊载工况进行了研究,能较为准确地预估出门式起
重机的疲劳寿命。
1 门式起重机应力谱
1.1 疲劳裂纹核算点位置
门式起重机主梁结构的疲劳裂纹多发生在应力最大和疲劳特性最薄弱的部位,通常集中在主梁跨中
附近 2 个部位:
1)主梁内筋与腹板焊接的下部。如图 1 所示,门式起重机主梁内筋板常常通过断续焊与主梁焊接
在一起
[ 7]
,这些断点在交变载荷下形成较大的应力集中点,造成微小的裂纹,由于门式起重机主
梁筋板下部承受拉力,这些微小裂纹不断聚集扩大,最后形成贯穿门式起重机主梁下腹板的疲劳裂
纹。
图 1 裂纹部位
Fig.1 Crack position
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
2)门式起重机下翼缘板和腹板连接焊缝处。该处通常采用单边坡口焊,施工人员无法对主梁内侧
焊缝的夹渣、气孔等进行初始缺陷处理
[ 8]
,且在主梁承受载荷时,这些部位所受拉力最大,在各
级最大拉力下,这些初始缺陷不断扩张汇合,进一步形成较大的疲劳裂纹。
1.2 核算点应力谱
门式起重机的应力谱是指其主梁结构在不同载荷下应力大小与应力出现频率之间的关系
[ 8,9]
。本研
究所用门式起重机额定起重量 80 t,工作级别为 A5,跨度为 22 m,对其进行起重载荷、载荷位
置、载荷频次等特征样本的人工实测记录和分类,为了确保所测特征样本的精度和准确性,采用电
阻振弦应变片和自动采集记录仪进行同步记录检测,最后得出相对精确的载荷应力-时间历程的特
征样本。
图 2 为一个吊装循环的应力-时间历程曲线,纵坐标表示应力大小,每条角线表示循环所消耗的时
间,1~2 段为空钩(不吊载荷)时从主梁一端移动到起吊点,2~5 段为起重小车带载从起吊点运
行到卸载处,6~7 段为卸载时,7~8 段为空钩时起重小车运行到下一循环起吊点。
图 2 一个完整循环的应力⁃时间历程
Fig.2 A complete cycle of stress-time history
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
为能较准确地仿真模拟载荷的特征循环,本文采用蒙塔卡洛(Monte Carlo)方法的拉丁超立方抽
样(Latin hypercube sampling,LHS)数值模拟方法,模拟了每个工作循环的起升位置、卸载
位置和起重量等参数,具体实施如下:
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