起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

楊濤

摘要：隨著起重機械的廣泛應用，其安全金屬結構的安全性也得到了更多人的關注。而起重機械金屬結構中最為常見的就是金屬結構的疲勞斷裂。起重機械在使用的過程中，會因為疲勞斷裂而導致危險事故的發生，影響著起重機械的安全使用。本文對起重機械金屬結構疲勞斷裂進行了分析，研究了疲勞斷裂可靠性。

關鍵詞：起重機械，疲勞，斷裂，可靠性，新進展

1.引言

2014年10月，國家質檢總局公布了新的起重機械的定義，重新指定了納入特種設備的范圍。起重機械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動重物的機電設備，其范圍規定為額定起重量大于或者等于0.5t的升降機;額定起重量大于或者等于3t（或額定起重力矩大于或者等于40t·m的塔式起重機，或生產率大于或者等于300t/h的裝卸橋），且提升高度大于或者等于2m的起重機;層數大于或者等于2層的機械式停車設備。新公布的納入監管的起重機械，在噸位上進行了提高。

起重機械在工業、農業、建筑業、交通運輸業得到了廣泛的應用，這使得起重機械在現代的生產生活中，占據著非常重要的地位[1]。起重機械是以間歇、重復的工作方式，通過起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運移物料的機械設備。起重機械通常結構龐大，機構復雜，所吊運的重物形狀多樣，且載荷復雜多變，起重機械的工作范圍通常比較大，作業環境復雜，這些因素都對起重機械的疲勞強度造成影響，尤其是疲勞裂紋的出現。

2.起重機械的疲勞斷裂分析

所謂疲勞是指在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程。對疲勞的研究就是為了預測金屬結構的使用壽命。疲勞發生的條件是有擾動應力的作用，其中應力集中是疲勞破壞的起源。疲勞破壞由應力或應變較高的局部開始，形成操作并逐漸累積，導致破壞發生。由此可見，疲勞的明顯特點是局部性。疲勞破壞的后果是形成裂紋，開始是裂紋的萌生，然后隨著不斷的使用而產生裂紋的擴展，最后由使用過程中的各種應力作用發生斷裂。金屬結構變形分為三個階段，即彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段，其應力應變曲線如圖1所示：

圖1?金屬的應力-應變曲線

金屬材料的疲勞斷裂過程，通?？梢苑譃樗膫€階段，即滑移生核階段，微觀裂紋擴展階段、宏觀裂紋擴展階段和失穩擴展階段。

若材料內部沒有非金屬夾雜物、缺陷或切口之類的應力集中源，則由于零部件表面區域處于平面應力狀態，有利于塑性滑移，因而通常在表面成核，因此微裂紋都出現在零部件表面，這就是滑移生核階段。

隨著滑移次數的增加，微裂紋逐漸擴展，擴展的方向開始時與拉應力成45度角，然后逐漸過渡到垂直方向，這時裂紋擴展的速率是緩慢的。在宏觀裂紋擴展階段，裂紋尺寸從0.05mm擴展到臨界裂紋尺寸為止;當裂紋擴展到臨界值之后，即發生失穩斷裂。裂紋失穩斷裂階段裂紋的擴展比較快，對壽命的影響相對而言較小，可以忽略掉，因此疲勞裂紋總壽命包括裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命兩部分[2]。

3.起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

起重機械的疲勞斷裂，是損傷長期積累的結果，一般在發生疲勞斷裂之前，并不會有明顯的變形，很難發現損傷的存在，因此疲勞斷裂的發生具有突然性，其后果通常也將是災難性的。

疲勞的研究最早是在19世紀初開始于德國，經過幾代人的不斷努力，發展至今，疲勞壽命評估已經廣泛應用到現代工業生產的各個領域中。1961年Paris公式的提出，成為了估算裂紋擴展壽命的有力工具，其后斷裂力學快速發展，尤其以線彈性斷裂力學發展較為成熟，為研究疲勞斷裂可靠性提供了理論基礎。

相對于國外，我國對疲勞的研究起步比較晚，開始于20世紀50年代，而且由于基礎較差而發展較慢，研究水平相對落后。1978年疲勞會議的召開極大的推動了疲勞理論的快速發展。當前用于疲勞壽命評估的計算方法主要包括斷裂力學法、局部應力應變法和計算機仿真分析法。

斷裂力學法以斷裂力學為基礎進行裂紋的評估。該方法從理論上而言更加合理，但是由于存在經驗性數據不精確的缺點，而且因為實際應力復雜、裂紋難以判定等因素使得計算誤差比較大。

局部應力應變法是當前最有效的壽命評估方法，廣泛應用到焊接結構、起重機械等的疲勞壽命評估中。但是該方法不能用于高強度疲勞的計算，因為其計算精度變差。

最近幾年來，一些研究人員把一些新理論和新方法應用到起重機械疲勞斷裂可靠性分析中，為起重機械的疲勞斷裂應用提供了許多新的估算方法，從而逐步發展成了隨機有限元、基于神經網絡的可靠性模型等?[3]。

隨機有限元法是近20多年才發展起來的一種工程數值計算方法，由于該方法把隨機參數的影響考慮在內，被廣泛應用于計算金屬結構的可靠度、動力問題、非線性問題及復合材料力學等。隨著起重機械疲勞斷裂理論的不斷發展，該方法也被逐步的應用于起重機械的疲勞斷裂可靠性分析方面。因為起重機械的工作環境復雜，受到許多不確定因素的影響，局部應力應變相應也是隨機的，隨機有限元法是隨機結構分析最有力的工具。

4.總結

本文對疲勞斷裂進行了分析，并對斷裂發生的原因進行了總結。結合當前疲勞斷裂的理論基礎和可靠性進行了研究，總結了國內外主流的分析方法，希望能夠對相關人員有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]張應立.橋式起重機安全技術[M].北京：中國石化出版社，2007

[2]張新峰.起重機桁架臂疲勞全壽命評估與分析[D].大連：2013.6

[3]鄭嚴，程文明，程躍.起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展[J].北京：起重運輸機械，2009（10）