基于疲劳破坏的吊梁寿命评估分析

邵健帅 邓鹏程 张国栋 于 军0 引言航天产品对吊装的可靠性、安全性要求较高，一旦吊梁出现疲劳断裂，很容易形成弹毁人亡的惨剧，故对吊梁进行寿命评估是一件十分重要的事情。以往，在进行吊梁结构设计时，一般都进行吊梁静力学强度计算，通过计算保证吊梁的安全系数不小于2。吊梁结构受力多为交变载荷，而交变载荷正是吊梁结构发生破坏的主要因素，吊梁的最大应力点可能会出现位置和幅值的变化。通过计算出的疲劳寿命的大小来判断其安全性，如果计算的疲劳寿命远远超出其规定或期望的使用寿命，可对其结构进行一定的减小或局部改进以降低其疲劳寿命，使其尽可能地接近期望使用寿命，这样既可满足使用要求，也能减轻自重，提升性能，降低成本。1 吊具结构组成某型吊具为单梁四吊索结构，结构形式如图1 所示，主要由吊耳、叉架、圆柱销、垫片、横梁、卡环、连接耳、止动销和前后吊索等组成。吊具的横梁为工字形截面梁，通过Q345 钢板焊接成型。吊耳、叉架、圆柱销、卡环、连接耳、止动销的销轴等零件均采用30CrMnSiA、40Cr等合金钢材料加工成型。吊梁的额定载荷为100 kN，在出厂时进行了1.25 倍静载试验和1.1 倍动载试验的考核，经过超声波探伤，焊缝处无裂纹，吊梁无永久变形。2 吊梁焊缝寿命评估机理吊梁的疲劳破坏主要包括钢板母材的疲劳破坏和焊缝的疲劳破坏，而吊梁焊缝较吊梁母材更易产生疲劳破坏，尤其是应力较大处的焊缝。在吊梁结构中，焊缝产生疲劳裂纹一般要比其他连接形式的循环次数少。这是因为吊梁焊缝处既有应力集中，又易产生焊接缺陷，残余焊接应力较高。在循环载荷作用下，微观裂纹稳定扩展成为大小与构件宏观尺寸（如板厚尺寸）相当的临界宏观裂纹，这一过程在吊梁总寿命中占主要部分。然而，由于焊缝中已预先存在这些微小缺陷，致使焊接接头中的疲劳裂纹产生阶段往往只占整个疲劳过程中相当短的时间，主要的时间属于裂纹扩展。1. 横梁 2. 吊耳 3. 叉梁 4. 圆柱销 5. 垫片 6. 止动销 7. 卡环 8. 前吊索 9. 后吊索 10. 止动销图1 吊具结构组成示意图焊缝在使用环境下疲劳问题的分析方法，一般包括按疲劳强度进行安全性校核和按焊缝疲劳特性曲线进行寿命预测两大类。前者分析方法较粗糙，但易于操作和实施，它通过将不同形式的焊接接头进行分类，根据经验方法及修正技术给出各种焊接结构的疲劳强度，并据此评估焊接结构的安全性，该方法无法分析得到焊缝的疲劳寿命，只能定性地判别是否存在疲劳断裂问题。后者分析方法相对精确，以经典的疲劳理论为基础，通过不同焊缝等级的疲劳S － N 曲线来预测焊接结构的疲劳寿命（见图2），在使用S － N 曲线进行焊缝疲劳寿命预测时，还应考虑应力集中、焊接缺陷及残余应力的影响效应，一般方法为在原始S － N 曲线上进行修正。3 吊梁结构疲劳仿真流程综合考虑平均应力、表面粗糙度、应力集中、残余应力等影响疲劳寿命的关键因素，结合疲劳理论形成了一条吊梁结构疲劳仿真预示方法，该方法的操作流程如图3 所示。针对理论分析难以获得吊梁结构件的真实应力状况，采用基于有限元仿真的疲劳分析方法，获得结构件的实际载荷分布。同时，结合吊装过程中实测载荷谱以及材料的S － N 曲线，对关键部位进行系统的疲劳寿命分析和预测，获取结构件的寿命分布云图。图2 不同等级焊缝的疲劳S － N 曲线图3 结构疲劳仿真技术示意图结合现有的有限元仿真基础，综合考虑上述影响因素，并广泛结合型号需求，提出图4 所示吊梁结构疲劳仿真预示及寿命预测详细流程。图4 结构疲劳仿真技术流程图4 吊具刚强度计算利用ABAQUS 对吊具吊梁进行了强度计算，有限元计算模型为该型号吊具的横梁。为增加计算方便，增设了3 个销轴和2 个吊耳等辅助计算配件，吊梁模型如图5 所示。在横梁上施加7 900×1.3×9.8 ＝ 100 646 N，取整为101 kN 的竖直向上的力（分别在2 个吊耳的上端面施加50 500 N）。在横梁两端销轴的4 个端面上分别施加竖直向下的力25 250 N。吊梁与销轴之间的连接均为接触，摩擦系数为0.15。有限元计算的载荷边界条件如图6 所示，计算模型网格均为规则的六面体网格，计算结果如图7 所示。图5 横梁三维模型图6 横梁有限元载荷图由图7 可知，吊梁的最大应力为187 MPa，出现在吊梁上端面中心位置，与理论力学分析一致。5 疲劳寿命计算5.1 吊梁焊缝寿命分析Maddox 研究了屈服点在386 ～ 636 MPa 之间的碳锰钢与用6 种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况。研究表明，材料力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。由此，在各国焊接结构最新的疲劳设计规范中，对于相同构造细节、不同强度级别的钢材均采用相同的疲劳设计曲线。在国际上，根据焊缝疲劳强度分为不同的等级，特别是英国桥梁规范BS5400 将焊缝分为7 个等级，类型B 的疲劳强度等级最高，C 次之，然后D、E、F、F2 和G 类，而W 类是承载焊缝，焊缝直接承载，是最恶劣的情况。查找相关资料，中国分I、II、III 级焊缝，分别对应英国焊缝的B、C、D 等级。图7 横梁应力云图根据本文吊具的受力分析，其焊缝应为W 级承载焊缝，再由BS5400，对不同可靠度情况下的焊缝疲劳强度为式中：Δ 是疲劳寿命变化量的函数，与焊缝等级有关；d 为可靠度的取值；k 0、m 为与焊缝等级有关的参数；σ 为焊缝所受应力。k 0、m、Δ 的取值如表1 所示，d 的取值如表2 所示。查找相关参数可得，在99.86% 可靠度情况下的各项取值为：k 0 ＝ 0.37×1 012，Δ ＝ 0.654，m ＝ 3.0，d＝ 3.0。在计算时，将一个工作循环视为恒幅应力循环，取极限情况。经过有限元计算可得横梁焊接处的最大应力值为σ ＝ 187 MPa。带入式（1）可得到吊梁焊缝的寿命为5.2 横梁结构件寿命分析文中所述以名义应力法为基础，具体分析吊具中大型结构件疲劳寿命主要影响因素的规律，包括应力集中系数、表面系数和尺寸系数等，从而计算出综合系数，通过计算分析方法预测出吊具中大型结构件的疲劳寿命。其中，表面系数跟抗拉强度的关系见图8 所示，不同应力集中系数的尺寸系数见图9 所示。已知：材料Q345(S u ＝ 470 ～ 630 MPa)，综合系数Kσ式中：kt 为应力集中系数，kt ＝ 1.038 4；β 1 为表面系数，β 1 ＝ 0.60；ε 为尺寸系数，ε ＝ 0.98。名义应力分别为：156.524 MPa÷1.038 4 ＝ 150.736MPa，由此可得综合系数为对称循环拉－压载荷下疲劳极限估算式为结构钢光滑试样非对称循环下疲劳极限为由(103，0.9S u ) 和(106 ～ 107，S r ) 即可求出材料的S － N 曲线。同样，根据参考文献，一个工作循环视为恒幅应力循环，该循环为非对称循环，需要用GOODMAN 方程进行修正。修正后的疲劳极限表达式为由上式计算可得，吊梁的寿命大于107，即无限寿命。图8 表面系数跟抗拉强度的关系图9 不同应力集中系数的尺寸系数6 结束语本文重点介绍了一种基于疲劳破坏的吊梁寿命评估方法。通过计算分析，吊梁的寿命主要取决于吊梁上应力最大处的焊缝寿命，所以在后期吊梁的产品设计生产中应加强焊缝的质量控制。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章篮球——CBA第二阶段：浙江广厦控股胜新疆伊力特（2）煮腊八粥千万要用大米！原因你想不到~在寒冬腊月中感受红楼艺术博物馆的魅力张家界市环境卫生管理处开展春节前走访慰问活动

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