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门式起重机主梁疲劳寿命估算的研究
Xiangdong Li
Professor Status High Level Engineer
Jiangsu special equipment safety supervision and Inspection
Institute
Nanjing, Jiangsu Province, China
lxd1963@163.com
Xu Yan
Postgraduate
College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing
University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu
Province, China
657335455@qq.com
Fei Shuai
High Level Engineer
Jiangsu special equipment safety supervision and Inspection
Institute
Nanjing, Jiangsu Province, China
77640635@qq.com
Yicheng Shen
Undergraduate
College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing
University of Aeronautics and Astronautics,
Nanjing, Jiangsu Province, China
709650316@qq.com
摘要：为了准确地了解关于起重机的使用寿命的信息，并及时消除潜在的起重机结构安全隐患，本文以门式起重机为例建立无限元模型。首先，通过例如Patran和Nastran的无限元软件，进行静应力分析, 获取大小尺寸和最大等效应力的位置，并且验证门式起重机主梁的强度和刚度是否满足要求。其次，运用多体动力学仿真软件Adams构建虚拟样机，以实现起重机工作过程的运动仿真，并且输出多种工况下的载荷谱。之后，运用疲劳分析软件—nCode Design-Life估算门式起重机的疲劳寿命。最后，基于弹性断裂力学理论计算门式起重机裂纹扩展寿命，来验证无限元模型的计算结果是否正确。
关键词：门式起重机，有限元，载荷谱，S-N曲线，疲劳寿命
Ⅰ.介绍
随着工业化进程的不断加快，起重机成为机械、造船和冶金等主要工业生产过程中必不可少的设备。主梁作为起重机的核心部件，在工作过程中承受随机交变载荷。长期和反复的负载会对主梁造成结构损伤甚至疲劳破坏，给工作人员带来巨大的安全隐患和直接的经济损失。因此，对门式起重机主梁的疲劳寿命进行估算具有较强的现实性和紧迫性。格式化程序将需要创建这些包括下面适用标准的组件。
近年来，国内外一些学者对疲劳进行了深入的研究并取得了显著的成就。Grondi通过现场测量观察并记录了箱梁角部裂纹，假设了翼缘裂纹与腹板裂纹具有相同的扩展速率，并利用断裂力学理论计算了翼缘裂纹的疲劳寿命。Li Zhenhua分别根据矿工报价和等效应力法计算了焊接箱梁的寿命。Ozden-Caglayan等人在现场检测起重机的基础上，根据实际采集的数据，对基于ANSYS分析的无限元模型进行了修正，最终利用修正后的模型估算起重机的使用寿命。Long Jingyu等人应用多体动力学仿真软件ADAMS构建起重机虚拟样机模型，对起重机工作过程进行了运动仿真，并根据仿真结果对其疲劳寿命进行了估算。
针对门式起重机的工作情况，本文采用无限元软件进行静应力分析，并结合图表载荷谱，运用nCode Design-Life软件进行疲劳分析。本次研究为今后门式起重机疲劳寿命的估算提供了思路和方法。
Ⅱ.无限元静强度分析
- 建立简化无限元
在无限元分析中，需要考虑硬件设备的配置，为了加快计算速度，获得更精确的计算结果，需要将复杂的几何模型转化为易于分析的简化几何模型。简化如下：
- 以主梁为研究对象，省略螺纹、螺钉等小零件。
- 以主梁为刚性体进行激励，减少了操作难度。
- 简化电机、吊钩、钢丝绳等结构。
根据上述要求，结合起重机参数，如表Ⅰ所示，采用SolidWorks 2017进行门式起重机建模，如图1所示。
表Ⅰ 门式起重机参数表
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参数名称 |
量值 |
|
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各部件尺寸 |
上翼板厚度 下翼板厚度 法兰盘长度 腹板厚度 腹板间距 腹板高度 支撑翼板厚度 |
5mm 5mm 100 mm 5mm 120mm 90mm 6mm |
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主要技术参数 |
额定起重量 起升高度 跨度 起升速度 平移速度 索道基板距离 工作等级 |
3000N 720mm 1740mm 0.15m/s 0.15m/s 120mm A4 |
图1 门式起重机的简化无限元模型
B．无限元静力学分析
根据门式起重机的工作过程，选取两个典型位置的荷载进行静载分析。如表Ⅱ所示：
表Ⅱ 静力学分析设置
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位置 |
分析简要说明 |
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1 |
从主梁中部起重3000 N |
|
2 |
从左支腿上起重3000 N |
在Patran 2010中，分别在无限元模型的相应位置增加预处理操作，然后用Nastran 2010进行求解，然后对求解结果进行后处理操作并显示结果，最终得到位置的等效应力云图和位移云图显示如下：
图2 位置1等效应力云图
图3 位置1位移云图
图4 位置2等效应力云图
图5 位置2位移云图
通过上述仿真分析的云图可以看出，主梁中间位置是危险点，最大应力承受130MPa。后一部分利用位置1的无限元静应力结果进行疲劳分析。
弹塑性材料的许用应力为[sigma;]=sigma;s/n，即材料的屈服极限；n为安全系数。由于Q235钢的屈服极限为235Mpa，根据起重机的设计规范，安全系数为n=1.34，可计算出起重机175MPa的许用应力，达到强度要求。最大变形量仅为3.598e-5mm，达到了刚度要求。
Ⅲ.起重机疲劳寿命估算
- 疲劳分析的五个方块图
疲劳可分为高周疲劳（应力疲劳）和低周疲劳（应变疲劳）。为了安全起见，起重机通常有较大的安全裕度，使起重机在低应力情况下经常工作，寿命周期较长，因此门式起重机的疲劳是高周疲劳。因此，本文采用S-N方法对其进行疲劳分析。
本文基于运用无限元静力学结果进行疲劳分析的思想，编制了移动式起重机疲劳分析流程图。如图6所示。
图6 疲劳分析的五个方块图
- 获取载荷谱
图7 运动仿真模型
绘制疲劳分析载荷谱非常关键，对疲劳寿命估计具有重要意义。通常，载荷谱是由实验测量，但由于实验条件的限制，为了真正分析门式起重机的疲劳损坏，本文采用运动仿真软件Adams 2016模拟一些起重机典型的工作情况以增加疲劳寿命估算的可靠性，如表Ⅲ所示。在这里使用ADAMS/电缆模块来模拟滑轮组和钢丝绳，如图7所示。
表Ⅲ 典型工况表
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工况 |
工作条件概况 |
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1 2 3 |
从左支腿处吊起，平行平移，并落在右支腿处。 从左侧支腿起升，平行平移，落在梁的中间位置。 从大梁中间位置起升，在大梁中间位置下降。 |
通过运动仿真，得到了相应工况的载荷-时间历程曲线。如下图所示：
图8 工况1的载荷-时间历程曲线
图9 工况2的载荷-时间历程曲线
图10 工况3的载荷-时间历程曲线
图11 门式起重机材料S-N曲线
- 设置材质属性
Design-Life有一个非常强大的材料仓库，它不仅提供丰富的材料，而且支持用户定义的材料。门式起重机的主梁和支腿均采用了Q235碳素结构钢。其弹性模量为2.1times;105MPa，材料密度为7.89kg/msup3;，泊松比为0.3。在材料库中定义材料，并将其映射到疲劳分析的处理模块中。根据定义的材料属性，计算出S-N曲线。如图11所示。
图12 疲劳分析界面
- 分析疲劳寿命
在静力学分析的基础上，结合载荷-时间历程，将疲劳分析导入到nCode Design-Life 13.0中，分析界面如图12所示。
在完成所有参数的设定后，我们开始对其进行求解，得到起重机的疲劳损伤云图和寿命云图。如下图所示：
图13 位置1疲劳损伤云图-工况1
图14 位置1疲劳寿命云图-工况1
从损伤云图和寿命云图中发现，门式起重机最薄弱的位置在第13843个节点，最大损伤值为1.079times;mm，相应的最小寿命为4.266times;次。也就是说，在15s的载荷谱作用下，门式起重机可安全地反复吊运物品4.266times;次。根据起重机每月工作30天，每天工作10小时的原则，将其寿命转化为时间，可算出起重机的寿命为49.375年。从全寿命云图可以看出，大多数其它部位的循环量都大于9.268times;次，远大于工程中对门式起重机的寿命要求，可以得出门式起重机的寿命完全满足工程安全要求的结论。
为了研究起重机在不同工作条件下的疲劳寿命，对起重机在不同工作条件下的载荷谱依次进行了分析。不同工况下疲劳寿命云图如下。
图15 位置1疲劳寿命云图-工况2
图16 位置1疲劳寿命云图-工况3
不同工况下疲劳寿命结果的比较分析
从不同工况下的寿命云图可以看出：
（1）不同工况下的寿命依次递减。由于梁的中间位置承受最大的应力，如果频繁升降重物，会增加起重机主梁的损伤，缩短疲劳寿命。这符合预期的结果。
（2）一般来说，虽然三种工况的疲劳寿命存在一定差异，但允许疲劳循环指标仍在量级，完全满足工程安全要求。
Ⅳ. 起重机裂纹扩展寿命的估算
对于上述应力疲劳，默认材料是无缺陷的。然而，在现实生活中，造型和材料的缺陷是不可避免的。初始无缺陷、在使用过程中发现有裂纹的构件能否继续使用和如何确定有缺陷构件的剩余使用寿命是疲劳分析的重要问题。
断裂力学中的线弹性断裂力学为研究有缺陷结构的疲劳计算提供了理论依据。本文以门式起重机裂纹扩展寿命为研究对象，并以此理论为基础，验证了无限元计算结果的可靠性。
- 线弹性断裂力学基本参数
应力强度因子是构件抗低应力脆性断裂损伤能力的指标。它的临界值用断裂韧性表示。平面应变断裂韧度用表示，即平面应力条件下Ⅰ型裂纹的应力强度因子。本文所述的应力强度因子是Ⅰ型裂纹的应力强度因子。组件材料的越高，裂纹的不稳定扩展速率越小，呈现出相反的关系。临界值的和的比较可以判断裂纹是否发生了不稳定扩展。
由参考资料可知，应力强度因子的计算公式如下：
（1）
式中a为裂纹长度的一半（mm），sigma;为断裂的均匀拉应力强度（MPa），是裂纹的应力强度因子。
然而，当构件尺寸和裂纹尺寸不小时，应考虑构件自由边界对裂纹尖端应力强度因子的影响，故应修改公式（1），修改公式如下：
（2）
式中，f是形状相关系数，由a或常数的函数表示，并由加载方法、位置和裂纹形式确定。
- 确定疲劳裂纹扩展速度
疲劳裂纹扩展速率可用以下Paris公式计算：
（3）
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资料编号：[4622]</p
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