港口起重机械损伤容限法疲劳寿命评估探讨

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起重机是现代工业生产不可缺少的设备，广泛应用于建筑、港口、水利电力等各个行业，为国民经济的发展做出了重大贡献。

据国外的统计 ，在机械零件的破坏中有 5O%-90%为疲劳破坏”。我国目前尚没有对疲劳破坏问题进行过全面调查，但同类产品的使用寿命往往比发达国家低。港口起重机械是码头装卸船的关键设备，其钢结构作为承受载荷的支撑部件，在循环往复的交变载荷作用下，都可能发生裂纹并扩展，最后导致突然断裂破坏。

目前，宁波地区在用的港口起重机中有不少已使用 l0年以上，亦有相当数量处于超期服役状态。起重机的设计寿命-般在 l5-30年。因此，正确估算这些服役周期长、负荷量大的起重机的剩余寿命，对保证港口运营安全性、可靠性具有非常重要的意义。

1 现行的疲劳寿命估算方法重机作业条件的多变性使金属结构的受载荷比较复杂，对受随机载荷的钢结构进行疲劳寿命估算是-个非常复杂的问题。目前对起重机钢结构的剩余疲劳寿命评估已有较多研究，现行应用比较广泛的方法有：(1)名义应力法 ，以名义应力为基本参数 ，从材料的s-N曲线出发，再考虑各种影响系数，得出构件的S-N曲线，结合实测应力谱，按照线性累积损伤理论 Miner理论及其派生出来的寿命估算式进行估算，再结合起重机的结构状态进行综合分析，估算出起重机的安全使用寿命。

(2)局部应力应变法，在缺口应变分析和低周疲劳基础上发展起来的-种疲劳寿命估算方法。其通过弹塑性有限元分析或其他计算方法，将构件上的名义应力谱转换为危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位的局部应力应变历程估算寿命。

(3)损伤容限法，是在断裂力学基础上发展起来的-种疲劳分析方法。这种方法的思想和前两种方法不同。前两种方法都假定没有初始缺陷，而这种方法则是以承认材料内有初始缺陷为依据，并把这种初始缺陷看作裂纹，根据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余寿命。这种方法的思想是，零部件内具有裂纹是不可避免也并不可怕的。只要正确估计其剩余寿命，采用适当的断裂控制措施，确保零部件在使用期限内能够安全使用，则这样的裂纹是允许存在的。

上述疲劳寿命估算方法中，根据s-N曲线的斜线部分进行寿命估算的名义应力法算出的是总寿命；局部应力应变法算出的是裂纹形成寿命；根据断裂力学方法进行寿命估算的损伤容限法算出的是裂纹扩展寿命；裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和为总寿命。港口企业关心的是起重机的剩余寿命。总寿命减去以往历史所记录的循环数才是剩余寿命，由于企业-般记录不全，并且对于有些情况也很难准确记录，所以用前两种疲劳寿命估算方法很难获得比较准确的剩余寿命。而损伤容限法可以给出裂纹扩展(从初始裂纹到临界裂纹的)循环数，人们将这个寿命定义为剩余寿命。所以，从港口起重机金属结构管理角度出发，损伤容限法是最直接最有效的方法。

2 港口起重机损伤容限法疲劳寿命评估损伤容限法疲劳寿命估算主要分为三个阶段，收稿 日期：2012-12-10作者简介：邱法聚(1979-)，男，山东潍坊人，工程师，硕士，研究方向：特种设备安全。

105Equipment Manufacturing Technology No.3，2013如图1所示。第-阶段为资料搜集阶段；第二阶段为结构强度分析与初始裂纹确定阶段；第三阶段则针对高应力区域内的裂纹进行疲劳分析以求得该区域的疲劳寿命。现将三阶段的详细流程说明如下。

二- ～ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1图 1 损伤容限法疲劳寿命评估流程图2.1资料搜集阶段这个阶段主要完成以下任务：搜集起重机结构蓝图、制造材料的机械性能和应力寿命曲线等相关疲劳资料对起重机进行动态测量获得载荷时间历程。

2.2结构强度分析与初始裂纹确定阶段疲劳问题具有以下特点：(1)只有在承受交变载荷作用的前提下，疲劳裂纹才会发生。

(2)疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。应力集中处常常是疲劳破坏(裂纹)的起源。

(3)疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。

应力最高的区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该区域称为危险区。该危险区域的裂纹的扩展寿命也就决定了起重机的整体剩余寿命。因此，对结构进行强度分析以确定高应力区域内的裂纹是进行疲劳寿命分析首要任务，步骤如下：- 是 ，采用有限元法分析软件 (如 ：Ansys、Abaq s)建立起重机金属结构的有限元模型；二是，划分单元格进行结构强度分析；三是，求出结构的高应力区域；四是，采用宏观检测与无损探伤相结合的方法106对高应力区域进行检测，测定出最大缺陷尺寸。由于初始裂纹%的尺寸随构件的尺寸和材质、焊接工艺等多种因素变化，用-般无损探伤法检查不-定检测得出来，对于细微的裂纹常需凭经验或者参考有关的试验研究报告选用。当用无损探伤方法未检测出缺陷时，-般可取初始裂纹尺寸 Oto2 mm。在文献[2]中，认为OZo值可取 0.5～1 mm。因此，初始裂纹长度应取 0.5-2 mm为宜。初始裂纹尺寸对结构裂纹扩展寿命有显著影响，不同的%值可以在相当范围内改变结构疲劳的寿命。

2.3高应力区域内的裂纹疲劳寿命分析阶段(1)确定临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸 是指在给定的受力情况下，不发生断裂所容许的最大裂纹尺寸。在工程应用中，临界裂纹尺寸是根据结构的受力情况和使用安全确定的，不同的结构和使用工况有不同的计算公式。当结构上无特殊要求时，可使用下式计算： (鲁O-1/ (，) -l 11T、j式中，为平面应变断裂韧度；y为形状因子，可由应力强度因子手册查出；为裂纹两端作用的应力，通过实测确定 ，但也要考虑自重应力、焊接残余应力，此应力对裂纹扩展可不考虑，因为裂纹扩展与应力幅有关，可以从材料手册中查得。但是当裂纹沿着焊缝方向扩展，焊接使母材材质发生变化，则考虑焊缝使材料强度极限降低因素，可借用焊接使疲劳强度降低的降低系数，-般考虑对接焊缝使强度降低的因素，对焊缝应力与焊缝垂直时，疲劳强度降低系数 0.5-0.9，0.9是经过修理的，-般取0.7即可。

(2)根据帕里斯公式Paris估算疲劳裂纹扩展寿命计算从初始裂纹到临界裂纹的循环数(寿命)可以采用著名的帕里斯经验公式。帕里斯公式描述的是疲劳裂纹扩展速率 daldN是应力强度因子变动范围 AK的函数。daldN与 AK的关系在双对数坐标上- 条 S形曲线，如图2所示，这条(dddN)曲线可以划分为三个区域：I区、Ⅱ区和Ⅲ区。

其中，I区为不扩展区，此时AK

笙(ar)Ⅱ区 Ⅲ区图 2 dddN-AK曲线在 Ⅱ区的疲劳裂纹扩展速率可以用变幅应力下的帕里斯公式表示：daldNC(△ ) (2)式中：△K △ 、/ ；△ 为应力范围的均方根；F为与裂纹情况有关的系数；C为材料常数，其中m为曲线的斜率。

在脉动循环和其它循环下，均可使用帕里斯公式进行疲劳估算。但对于每种循环，都要使用相应的daldN表达式，即式(2)中的 C、m值随应力比不同而变化。

将式(2)积分，得到疲劳裂纹扩展寿命为：Ⅳ： ： c( )m根据港121起重机结构常用材料 (Q235、Q345)的特性，在考虑当前结构缺陷的类型、尺寸和位置、结构和焊缝的几何形状和尺寸、载荷引起的应力以及残余应力的基础上，可以进行基于疲劳裂纹扩展寿命计算的结构疲劳寿命分析。

根据应力和疲劳强度数据的分散性质，选择合适的分布曲线(如正态分布)，应用概率统计理论，进行疲劳寿命可靠性分析，可以把破坏概率控制在-定范围内。疲劳可靠性分析是概率统计方法对疲劳分析方法必要的补充。

3 结束语起重机寿命评估是在比较正常的作业状态下按断裂力学理论计算出来的，而在实际作业过程中，有超载、骤然起制动等非正常使用情况发生，作业工况比测试工况恶劣，这些因素会对安全使用寿命产生不利影响。因此，考虑工作时间和出现的锈蚀、变形及裂纹情况，以上结果偏于保守。

自检测评估之日起，起重机在使用-段时间后，应对各测点进行跟踪检查，观察是否有异常现象发生。超过安全使用寿命后，应再次进行检测评估，以保证安全作业。