基于顺序法的起重机疲劳寿命预测方法研究及应用

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Abstract：Considering the situation that cranes are generally in service under the random cyclic load and bear cyclicalternating stress，the paper puts forward a life prediction method for crane based on sequential method，with establishmentof the order cyclic damage stress mode1. According to the measured stress process data of the crane，the number of stresscycles is figured out by the rain-flow counting method，with the cycle times coresponding to diferent stres amplitudes ob-tained，and with a cyclic loading spectrum developed. Based on this spectrum，the crane life is estimated using the ordercyclic damage stress mode1.The estimated result and the one worked out based on Miner lode1 an d Carten-Dolan model arecompared and analyzed，which shows that the proposed order cyclic damage stress model is feasible for prediction of craneSfatigue life，providing a new idea for research on craneS fatigue life。

Keywords：crane；sequential method；order cyclic sequential method；life prediction；research0 前言起重机金属结构是起重机的重要组成部分，承受起重机上的各种载荷和 自重。起重机结构-般在循环载荷或随机载荷作用下工作，疲劳破坏是主要的失效形式○属结构的垮塌破坏，会带来极其严重甚至灾难性的后果1 J，尤其是已进入服役后期或超期服役阶段的起重机械，其金属结构已经不 同程度的出现各种损伤，对安全生产构成了潜在的威胁 J。因此，研究起重机剩余寿命，寻找预测效果更好的起重机寿命预测方法，对安全生产有着重要意义。

武进福 等人以等幅载荷疲劳裂纹稳定扩展阶段的计算公式为基础，利用均方根法对随机载荷进行等效处理，提出基于等效载荷的桥门式起重机焊接箱形梁的疲劳裂纹扩展寿命的方法。范小宁 等人通过大量的数据调研，采集不同额定起升载荷起重机在-个工作时段内对应不同起升载荷的工作循环次数簇，基于人工神经网络技术获取预评估起重机的当量载荷谱。Ozden Caglayand等5 人通过建立起重机的有限元模型，结合实际载荷测量值对有限元模型进行修正，根据修正的模型结合 Miner6 模型预测起重机寿命。西南交通大学吴晓等r 人以 Paris公式的等幅载荷疲劳裂纹扩展寿命计算公式为基础，结合Miner线性累积损伤理论 ，建立了-种用于变幅和随机载荷的起重机金属结构疲劳寿命计算模型。文献 [8，9]介绍了非线性疲劳累积损伤 Carten.Dolan理论，该理论考虑了应力之间的相互作用，可以得到较 Miner线性累积损伤理论更为精确的结果 。

国家质检总局科技计划资助项 目 (2009QK151)、国家自然科学基金资助项目 (51075070)、江苏势技成果转化专项资金资助项 目(BA2010048)《起重运输机械》 2013(2) 本文基于顺序法原理 。。，研究顺序循环的起重机寿命 预测方法，并通过与 Miner方法 以及Carten.Dolan方法进行比较验证其有效性。

1 顺序法原理由于在利用 Miner准则估算疲劳寿命时，忽略了应力级之间的相互影响，从而得出估算寿命与实际寿命之间存在较大误差。顺序法与 Carten-Dolan非线性理论 都考虑 了载荷作用的先后顺序 ，认为某-应力级所产生的损伤与前-级应力有关，弥补了 Miner的不足，但顺序法与 Carten- Dolan有着不同的理论基矗顺序法的前提是：假设构件的物理损伤状态相同，则疲劳寿命只与载荷状况有关；结构件是新的且没有损伤，则其寿命可通过 S-N曲线估出。另外，顺序法认为当构件承受的拉应力等于构件材料的抗拉极限强度时，构件将发生损坏。

顺序法的基本原理如下：如果第i级应力的应力幅为 ，在 or 作用下构件达到破坏的总次数可以通过s-N曲线查得，为Ⅳ 次。若该应力 循环作用rt 次，则构件在 作用n 次后的剩余循环次数为 (N -n )。则剩余循环次数 (N -凡 )在s-N曲线上将对应唯-的应力幅值，记为 ，并定义 为 作用 n 次后的损伤应力。这里引入-个新的损伤参数 D ，并定义为损伤应力的增量 ( - 。)与抗拉强度与实际应力之差值 (- )的比，即D ： (1)u- 式中： 为损伤应力， 为实际作用应力，为抗拉强度。

载荷刚开始作用第-次循环时，损伤应力等于实际作用应力幅值，此时D 0，作用最后-次循环时，损伤应力等于抗拉强度 此时构件发生破坏时的损伤参数 D 1。损伤以及损伤参数由第 i级传递到 i1通过式 (2)关系实现D ： ： (2)or u - or i oru - or il式中：or 为第 i1载荷的等效损伤应力，为第 i1实际作用应力。

由式 (2)，通过D 可得到第i1等效损伤应力 ，该等效损伤应力在S-N曲线上对应唯-的循环次数Ⅳ，该Ⅳ作为构件在作用前i级应力循环后的剩余循环次数，随后可得到第i1级- 2 - 应力or作用n次后的剩余循环次数为 (Ⅳ -n)，依次循环直到最后-级应力作用结束，得到最终剩余循环次数。各级参数的对应关系如图1所示。

图1 损伤应力及剩余寿命演变流程2 基于顺序法的起重机寿命预测方法由于起重机设备-般工作在循环载荷下，根据实测-段作业时间内的应力 (应变)历程数据进行编制载荷谱并估算寿命。寿命估算时，通常将载荷谱对构件作-次全谱循环作为-个循环周期，然后考察构件发生破坏时该载荷谱作用的 ～次周期循环数，最后以这个循环次数 ～为依据，给出起重机寿命的定量描述。即起重机疲劳寿命估算需要考察载荷谱可作用的周期循环次数 Ⅳ。而顺序法是建立在不同应力幅顺次作用的基础上，考察最后-级应力幅可以作用多少次循环。因此，为了估算载荷谱循环次数，本文通过对顺序法进行扩展，提出了基于顺序循环的起重机寿命预测方法，具体如下：首先，对应力历程数据进行统计计数，编制 k级载荷谱，记载荷幅值 的作用次数为n 。

然后，对载荷谱 中的第 . ( 1，2，，k)级应力顺次作用 次，并根据式 (1)和式 (2)计算损伤参数D ，假设到第 k级载荷作用 n 次后获得的损伤值为D ，判断 D 是否大于等于 1，如果是，则结束载荷谱循环，输出结果；如果否，i i1继续下-次载荷谱循环。以此类推，直到出现D≥1结束循环。

根据上述思想，建立顺序循环应力损伤模型(Order Cycle Damage Stress Model，简称 OCDSM)，实现起重机寿命预测。图2为顺序循环法程序流程图。

《起重运输机械》 2013(2)图2 顺序循环法流程图由于当 D≥1结束循环时，构件已发生破坏，为了安全起见，将载荷谱循环次数减去 1，作为起重机在该载荷谱作用下可达到的疲劳循环次数。

OCDSM继承了顺序法考虑载荷作用先后顺序的优点，既可实现顺序法中对某-应力幅作用多少次的循环的估算，又可实现对载荷谱的顺序循环所产生的累积损伤的估算 ，实现对载荷谱可达到的总循环次数的估算，弥补了Miner未能考虑载荷作用顺序的不足，为疲劳寿命的估算提供了-种新手段3 实验验证及工程应用3.1 实验验证根据文献 [12]中Pavlou对 A1-2024-T4的加载实验数据，分别根据 Miner模型、Carten.Do。

1an模型以及 OCDSM进行寿命预测 n，。实验过程：对试件作用 2级载荷 (见图 3)，即先将试件在载荷 or 下作用 凡 次，然后作用载荷 or。直至构件发生破坏，实验所得 or 的实际循环次数 n：见表 1。

材料抗拉强度 470 MPa，由该材料的 S-N曲线可得在载荷 or150 MPa作用下直到破坏的总循环次数 N430 000次；在载荷 200 MPa作用下直到破坏的总循环次数N150 000次。

(b)图3 载荷块谱分别根据 Miner模型、Carten-Dolan模型以及OCDSM估算在 or：下作用直至破坏的循环次数 n ，然后再分别与实际循环次数进行比较，对 比结果见表 1、表 2。

根据铝合金 6082T6在随机载荷作用下的实验数据 分别应用 Miner模型、Carten.Dolan模型以及 OCDSM 对 其 进 行 寿命 预 测。铝 合 金6082T6的 s-N曲线为 log(or)6.8-0.102 4log(N)，抗拉强度为370 MPa，实验结果以及预测结果见表 3。

表 1 低-高载荷 l5O MPa 2200MPa，n2为剩余循环次数实验 Miner Carten-Dolan 0CDSMn 1n2 /12 误差 /$2 误差 n2 误差86 000 14 4500 120 000 16.8% 133 790 7.4% 130 320 9.8%172 000 133 500 90 000 32.5% 117 570 l1.9% 107 900 19.2%258 000 81 700 6O 0o0 26.5% 101 360 24.1% 81 990 0.4%《起重运输机械》 2013(2) - 3-表4 当量载荷谱应力级 i 1 2 3 4 5 6 7 8应力幅/MPa 96.8 84.6 72.4 60.1 47.9 35.7 23.5 11.3修正后 /MPa 116.6 102.4 87.7 73.4 57.5 43.1 28.4 13.7循环次数 387.5 391 4O7 483 380 457.5 370 40o根据表4中的当量载荷谱，根据 Miner模型估算出的总的循环次数 N 11 939次，即为表 4所对应的载荷谱工况下可以作用 11 939次；根据Carten-Dolan模型估算的总循环次数 N 10 949次，即为表 4所对应的载荷谱工况下可以作用10 949次；根据本文提出的 OCDSM对表 4中的数据进行预测，估算出的总循环次数N 11 614次，即为在该载荷谱工况下可以作用 11 614次循环。

OCDSM的预测结果介于 Miner模型、Carten-Do-lan模型预测结果之间，说明 OCDSM预测精度介于 Miner线性理论、Carten-Dolan非线性理论预测结果之间，还可看出 OCDSM预测结果相对 Miner准则预测结果保守。

因此，基于循环顺序法的起重机疲劳寿命预测方法是可行的，建立的顺序循环应力损伤模型可作为-种新的起重机疲劳寿命预测模型。

4 结论1)根据起重机-般作业于随机循环载荷下的实际情况，基于顺序法原理，提出了顺序循环的起重机寿命预测方法，建立了顺序循环应力损伤模型。

2)运用顺序法对A1-2024-T42以及铝合金6082T6的实验数据进行寿命预测，并与 Miner线性累积损伤模型以及 Carten-Dolan非线性累积损伤模型预测结果进行对 比分析，分析表明基于顺序法的预测结果更接近于实际的实验结果，验证 了顺序法比Miner方法具有更好的预测精度。

3)将顺序循环应力损伤模型应用于起重机的寿命预测，并将预测结果与 Miner模型、Carten-Dolan模型的预测结果进行对 比分析。分析表明OCDSM预测精度介于 Miner线性理论、Carten.Do-lan非线性理论之间。这表明应用顺序循环法进行起重机疲劳寿命预测达到了良好的预测效果，为起重机寿命预测方法研究提供了-种新的思路。