基于SolidWorks鑄造起重機主梁結構疲勞壽命分析

王建華 李向東 帥 飛

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036）

起重機主梁作為承載結構，它的失效不僅使起重機失去功能，而且容易導致斷裂等重大事故。機械和電氣系統可以通過定期檢測，實施維修更換，保證他們的正常工作。但是對于不可更換的起重機械鋼結構，尚缺乏科學有效的方法判斷其殘余使用壽命。多年來校核起重機結構，只關注靜強度，靜剛度及穩定性，但疲勞破壞發生時應力一般低于材料的屈服強度有時甚至低于彈性極限，當工作應力超過疲勞極限時發生斷裂，具有突發性，往往造成很嚴重的后果。起重機結構承受的變化載荷重復出現到達一定次數時，結構會突然產生裂紋并逐漸擴展，直至承載能力降低到不能繼續承載而發生斷裂破壞的現象[1]。

1 疲勞設計方法

工程實際中，結構件受到的往往是不規律的隨機載荷，經過長期的變化載荷作用，結構件由于累積損傷產生裂紋，裂紋逐漸擴展直至斷裂。損傷累計理論是估算重復變化載荷作用下結構件疲勞壽命的理論基礎，對于等幅載荷，利用結構件材料的S-N曲線來估算不同應力幅下達到疲勞破壞所經歷的循環次數。按照損傷累積理論研究壽命預測的流程如圖1所示。

圖1 壽命預測流程圖

根據結構疲勞破壞前所經歷的循環次數的不同，分為高周疲勞和低周疲勞[2]。結構件所受的外應力低于材料的屈服強度，材料處于彈性范圍，屬于高周疲勞，用交變應力與破壞循環次數N的關系曲線（即S-N曲線）來衡量，斷裂前的循環次數大于1×105～ 1×107次。

2 起重機主梁裂紋位置

疲勞裂紋源一般出現在應力最高的部位，起重機主梁結構應力最大部位在跨中上下翼緣處。裂紋源主要出現在以下部位：大隔板與腹板連接焊縫最下端焊趾、主腹板與受拉翼緣板連接的翼緣焊縫上、受拉翼緣板對接焊縫上[3]。從以往的事故中可知，裂紋主要出現在焊縫或焊縫附近的母材上，它在變化載荷的作用下會擴展，致使金屬結構出現故障。

3 工程實例

以YZS380/80-23.4A8(鑄造起重機)為例，使用等級為U7（頻繁使用），載荷狀態級別為Q3(有時吊運額定載荷，較多吊運較重載荷)。該設備吊運鋼水包，在服役期內載荷基本恒定，以等幅載荷處理。起重機及主主梁的主要參數和尺寸見表1。

表1 起重機及主主梁的主要參數和尺寸

空載工況時跨中產生的應力σmin=21.5MPa，額載工況時跨中產生的應力σmax=105.9MPa。應力循環特性r=σmin/σmax=0.203＞0。

3.1 驗算腹板受拉翼緣焊縫的疲勞強度

根據工作級別E8，應力集中等級K2，Q345-B材質，抗拉強度σb=470MPa。查表疲勞許用應力基本值 [σ-1]=63MPa。

抗拉疲勞許用應力為：

σmax＜[σrt]疲勞驗算通過。

3.2 循環應力水平等壽命轉換

用于描述高周疲勞的方法是基于應力-壽命（S-N）的方法。疲勞計算的結果與S-N曲線有直接的關系，準確的數值可以通過實際產品或同類型的產品的疲勞試驗來獲取。對于大型的鑄造起重機而言，造價昂貴、體型龐大，試驗成本過高，不適應通過試驗來獲得其S-N曲線。對于載荷恒定的鑄造起重機，結合服役過程中受力情況計算出結構某處最大及最小應力，按照Goodman曲線理論[4]，修正材料的S-N曲線，在此曲線基礎上基于SolidWorks疲勞分析模塊計算起重機主梁結構的疲勞壽命。

循環應力幅：

平均應力：

假設基本的S-N曲線用冪函數式表達SmN=C，則：，對于拉壓載荷0.3≤k≤0.45，k取 0.35；

由疲勞試驗可知，若受力較小的結構件應力循環次數達到2×106而不發生疲勞破壞，則繼續試驗也不會發生疲勞破壞[1]。由基本的S-N曲線可得應力和壽命關系，為后續的疲勞分析提供基礎數據。

3.3 SolidWorks建模、疲勞分析

根據表1起重機及主主梁的主要參數和尺寸在SolidWorks軟件中建立主主梁的三維模型如圖2所示。為了避免應力集中出現在車輪與軌道接觸處，輪壓分布在矩形面積a1×b1上，a1=2h+50mm，b1為軌道底寬。

圖2 主梁受力幾何模型

經網格化分、靜力求解，找出主主梁結構中最容易遭到疲勞破壞的點，如圖3所示。有限元計算應力與理論計算值接近，說明建立的三維模型能滿足求解需要。模型的簡化使得跨端應力集中嚴重，讀取數據時給予忽略。下蓋板、腹板對接焊縫靠近跨端部，不予考慮。

在SolidWorks Simulation疲勞分析模塊，S-N曲線由S7.314N=2.813×1021映射獲得，數據差值采用對對數處理。損壞是基于線性損壞準則（Miner’s準則），當損壞百分比大于100時，代表疲勞失效發生了。疲勞分析結果如圖4所示。結果表明，主梁跨中應力較大的部位在載荷循環2×106后沒有發生疲勞破壞，損壞比為50%。

圖3 主要受力部位

圖4 損壞圖解

4 結束語

結構的疲勞壽命與所受的應力大小和循環次數有關，結構受到的外應力愈大，發生疲勞破壞所需循環次數愈少。由結構疲勞強度計算得到的主梁的疲勞數據及對虛擬樣機疲勞仿真的結果可以得出，起重機主梁在其服役期內不會發生疲勞破壞，結構承載能力尚有較大的安全余量，建議在設計時平衡其經濟性和安全性。