基于nSoft的塔機起重臂疲勞壽命分析

■張宏偉，趙巧絨 ■西京學院，陜西 西安 710123

塔機因具有起升幅度高、起重力矩大、工作幅度廣、裝拆運輸方便、工作效率高等優點，而被廣泛使用在高層建筑施工中。隨著塔機利用率頻繁、工作強度增高及作業持續時間增長等因素作用，塔機易產生疲勞破壞。文獻［1］通過對塔機事故進行歸納統計，其中塔機起重臂斷裂最為嚴重。文獻［2］以QTZ63塔機為例，根據實測載荷譜輸入疲勞分析軟件，得到塔機易發生疲勞破壞的位置。文獻［3［根據初始裂紋形成數值不同，用斷裂力學和連續損傷力學理論來估算疲勞壽命。

為全面快速分析塔機起重臂的疲勞壽命，本文以QTZ4510塔機為研究對象，在靜應力分析的基礎上，利用雨流計數法［4］原理獲取載荷譜，并借助計算機專軟件，分析塔機的疲勞壽命，為塔機壽命預測、評估及設計改進提供一定的理論依據。

1 有限元應力分析

1.1 建立塔機起重臂有限元模型

某工地用QTZ4510塔式，應用ANSYS軟件中APDL參數化語言快速對塔機進行整體建模。因塔機起重臂為典型的桁架結構，構造復雜，所以對塔機三維模型進行簡化，各標準臂節之間、起重臂與拉桿之間采用剛性連接。建模次序依次為回轉機構、塔帽、起重臂臂節、平衡臂、拉桿。APDL參數化語言，采用相對坐標系建立相應節點坐標，然后定義截面類型和材料密度，劃分網格，最后顯示塔機起重臂單元類型，建立塔機模型如圖1所示。

圖1 塔機有限元模型

1.2 塔機靜應力分析

塔機因起升和變幅運動為動態工況外，其余均可理解在穩態下工作，如自重、風載離心力等均做靜態載荷處理，所以對塔機進行靜力學分析。根據上述塔機模型，其中節點坐標484個，1130個梁單元，1個實體單元，2個殼單元。QTZ4510塔機的起重臂有9個標準節，總長45m，建立臂節跨度30個，將載荷依次施加在每跨節點上，共得31個典型工況。再根據塔機起重性能曲線模擬可求得塔機各工況下的應力。各跨點靜態下的最大應力值如表1所示。

表1 各跨點靜態下的最大應力值

根據表2可知，塔機起重臂主要采用Q235鋼焊接而成，其屈服極限值為235MPa，跨點的最大應力值為168MPa，在材料的許用應力值范圍之內，因此該型號塔機符合設計要求。

2 塔機起重臂疲勞壽命分析

2.1 nsoft軟件

nSoft軟件是英國nCode軟件公司主導的疲勞分析軟件，其中的FE－fatigue模塊基于應力疲勞分析和線性損傷累加理論進行壽命預測。應力疲勞分析法適合塔機的高周疲勞壽命預測，在循環載荷作用下，材料承受的應力和頻率之間的關系式可用S－N曲線描述［5］

式中:m、C—材料常數。

線性損傷理論可計算構件在應力水平σi作用下，經過ni次循環的損傷為

破壞準則為

式中:Ni—在σi作用下循環到破壞的壽命，可由材料的S－N曲線確定;

Di—在σi作用下損傷變量，D=0截面無損傷;D=1截面完全損傷。

本文將塔機有限元分析結果保存為taji1文件，導入nSoft軟件中進載荷譜的編制，。

2.2 塔機起重臂載荷譜編制

塔機工作情況因復雜承受隨機載荷作用，采用傳統貼應變片實測數據后，進行統計處理的方法費時費力，所以本文采用雨流計數法原理，通過應用ANSYS軟件對塔機各工況下起重臂節點進行虛擬加載，得到塔機的靜強度分析，結合塔機運行頻率［6］，得到塔機的載荷時間歷程，再通過疲勞分析軟件進行處理即得到塔機的載荷譜。如圖2所示

圖2 塔機疲勞載荷譜

2.3 塔機起重臂疲勞壽命預測

QTZ4510塔機金屬結構材料主要為Q235，查《機械工程材料性能手冊》屈服強度 σs=235MPa，破松比 μ=0.3，彈性模量 E=1×105MPa。根據材料的力學性能，近似估算出塔機起重臂的S－N曲線，對塔機進行壽命預測，結果如圖3所示。

圖3 塔機疲勞壽命結果圖

由預測結果可知，損傷變量值為D=0.06，該塔機壽命估算為17年，滿足塔機金屬構件設計壽命規范值15－25年，符合設計規范要求。

3 結論

通過對塔機起重臂模型簡化，將載荷施加在起重臂各跨節點上進行靜力分析，獲得塔機載荷時間歷程，并利用雨流計數法統計出塔機載荷譜，應用疲勞分析軟件nSoft進行快速壽命預測。本文將APDL有限元快速建模、靜力學分析和壽命預測計算等有機結合，用于快速估算塔機結構的壽命，為塔機的疲勞設計計算提供了參考依據。

［1］候沂，李世六，王進等.塔式起重機鋼結構疲勞壽命研究［J］土木建筑與環境工程，2009(31):24－30.

［2］趙威威，白朝陽，曹旭陽等.在役塔式起重機疲勞壽命分析［J］.建筑機械，2013(1):72－77.

［3］胡健峰，朱小豐，鐘敏等.塔式起重機起重臂疲勞損傷壽命實驗研究［J］.建筑機械化，2014(02):55－57.

［4］曾春華，鄒十踐.疲勞分析方法及應用［M］.北京:國防工業出版社，1991.

［5］楊衛，馮西橋，秦慶華.損傷、斷裂與微納米力學進展［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［6］李振華.起重機金屬結構疲勞壽命預測與疲勞可靠性研究［D］.西南交通大學碩士學位論文，2009.