探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展

林喆柯

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院中山檢測院，廣東 中山 528400）

1 研究起重機械疲勞斷裂可靠性分析新進(jìn)展的現(xiàn)實意義

當(dāng)前階段，起重機械設(shè)備是以間歇、周期性重復(fù)的方式運行作用，其能通過吊鉤、抓斗以及電磁鐵等吊具設(shè)備，完成升降操作。然而，由于反復(fù)起動制動，各個結(jié)構(gòu)機構(gòu)都將受到強烈沖擊、振動，這就使得載荷呈反向交替作用狀態(tài)，因此，一些重要構(gòu)件就要承擔(dān)不穩(wěn)定變幅應(yīng)力的影響，進(jìn)而降低構(gòu)件的強度效果。

2 起重機械疲勞斷裂的成因

研究表明，起重機械設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)疲勞是指，在某點或是某些點受到擾動影響，并在循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值后，因擾動形成裂紋或是完全斷裂。這里的斷裂是指，材料中發(fā)生了局部永久性結(jié)構(gòu)變化。研究人員對起重機械疲勞斷裂產(chǎn)生原因與作用過程進(jìn)行分析，是為了對設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的耐久性與使用壽命進(jìn)行預(yù)測，以達(dá)到生產(chǎn)建設(shè)環(huán)境對起重機械設(shè)備的安全使用要求。

經(jīng)對已產(chǎn)生疲勞斷裂的金屬結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)擾動應(yīng)力是疲勞病害的條件，即應(yīng)力集中是結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的核心原因。具體過程，就是結(jié)構(gòu)應(yīng)力或是應(yīng)變從局部開始變高，經(jīng)運行操作積累，最終導(dǎo)致破壞發(fā)生。首先，疲勞微裂縫，裂紋擴(kuò)展次之，最后失效斷裂。對于起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)疲勞微裂縫來說，其主要作用于結(jié)構(gòu)表面的最大局部應(yīng)力部位，最小截面積部位，或是材料差異的強度薄弱部位。此外，還會作用于金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷的強度較弱部位。此病害形成后，裂縫會在起重機械循環(huán)反復(fù)操作擾動的情況下，沿著高剪切應(yīng)力平面方向擴(kuò)展。而后，還會沿著垂直應(yīng)力方向進(jìn)行破壞擴(kuò)展。

對于裂縫擴(kuò)展的速度與方向，是由局部應(yīng)力集中的金屬結(jié)構(gòu)狀況與裂縫尖端材料性質(zhì)控制的。一旦疲勞裂紋達(dá)到了臨界長度，金屬結(jié)構(gòu)材料本身剩余的截面積，就會很難承受施加負(fù)荷，導(dǎo)致失效斷裂階段突然處理。由此可判斷，斷裂產(chǎn)生具有快速且毀滅性的材料失效特點。從市場環(huán)境角度看，疲勞斷裂階段的裂縫擴(kuò)展速度較快，但對金屬結(jié)構(gòu)耐久性與使用壽命影響不大，甚至可以忽略。因此，研究人員可根據(jù)病害的破壞性質(zhì)與產(chǎn)生影響將起重機械的疲勞裂紋劃分為兩個部分，即裂紋形成壽命與裂紋擴(kuò)展壽命。

從理論角度來看，起重機械金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展重要區(qū)域，是從可無損檢測到最小裂紋長度再到臨界裂紋長度之間。如圖1所示，為疲勞裂縫與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。

圖1 疲勞裂縫與疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

3 起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進(jìn)展

從上述分析內(nèi)容可以看出，起重機械設(shè)備運行出現(xiàn)的疲勞斷裂失效問題，是損傷長期積累所致。此病害問題的可靠性控制難點在于疲勞斷裂發(fā)生前，并無明顯變形變化，這就導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)人員難以發(fā)現(xiàn)損傷存在。這是疲勞斷裂病害具有突發(fā)性的原因所在，一旦發(fā)生，后果難以預(yù)計。現(xiàn)階段，對疲勞斷裂可靠性進(jìn)行分析的方法，就是對起重機械危險位置的疲勞裂紋擴(kuò)展機理進(jìn)行分析，即根據(jù)初始裂紋尺寸與擴(kuò)展速率來對金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而確定科學(xué)合理的起重機械危險位置檢測工作開展周期。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，起重機械的運用范圍越來越大，其事故率也呈現(xiàn)出不斷上升趨勢。經(jīng)分析統(tǒng)計，起重機械因疲勞斷裂引發(fā)的安全事故已經(jīng)占到了全部工業(yè)安全事故發(fā)生的15%以上。因此，對起重機械疲勞斷裂進(jìn)行可靠性分析控制，即估算起重機械疲勞壽命，是防控疲勞斷裂事故發(fā)生的重要工作內(nèi)容。

此項工作，早在19世紀(jì)，發(fā)達(dá)國家科學(xué)家已經(jīng)著手對金屬結(jié)構(gòu)的疲勞進(jìn)行分析。到現(xiàn)在，疲勞斷裂可靠性分析，已經(jīng)廣泛運用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。20世紀(jì)后半葉，Paris公式的提出，成為估算金屬結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展壽命的有效手段。此后，線彈性斷裂力學(xué)發(fā)展的運用最為成熟，是疲勞斷裂可靠性分析的理論依據(jù)。

由于我國在此領(lǐng)域的研究起步較晚，因此，理論基礎(chǔ)較差，研究與發(fā)展水平進(jìn)度較為落后。此發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，疲勞壽命評估的計算方法有：名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、斷裂力學(xué)法、計算機仿真分析法、斷裂力學(xué)法以及有限元分析法等。名義應(yīng)力法，顧名思義，就是將金屬S-N曲線，即金屬應(yīng)力-應(yīng)變曲線，作為理論基礎(chǔ)。其可作用于起重機械金屬結(jié)構(gòu)的彈性變形分析、斷裂分析以及塑性變形分析。此方法在實踐中的運用具有計算簡單、發(fā)展成熟的特點，但無法作用于缺陷根部塑性變形與加載順序的影響，存在隨意性與經(jīng)驗性問題，會導(dǎo)致估算結(jié)果誤差較大。

局部應(yīng)力-應(yīng)變法，作為當(dāng)前起重機械金屬結(jié)構(gòu)中壽命評估的有效方法之一，其主要運用于起重機械與焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估工作。但實際計算高強度疲勞影響過程，精度無法保證。從上述壽命評估方法運用情況可以看出，不同分析方法均具有一定缺陷，或無法保證評估精度或無法解決局部缺陷問題。近幾年，相關(guān)人員在對起重機械疲勞斷裂進(jìn)行可靠性分析過程中，融入了新的理論與評估方法，成功為起重機械疲勞斷裂可靠性分析提供了依據(jù)。這里的新理論與新方法是指，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隨機有限元模型與可靠性模型。

隨機有限元法，作為一種工程數(shù)值計算方法，其考量了隨機參數(shù)影響，被廣泛運用于計算起重機械金屬結(jié)構(gòu)可靠度、非線性問題、動力問題以及復(fù)合材料力學(xué)問題等。從分析計算的市場角度看，隨機有限元法隨著起重機械疲勞斷裂理論的發(fā)展運行水平不斷進(jìn)步。但運用時，易受工作環(huán)境復(fù)雜問題的影響。在受諸多不確定因素影響的情況下，使得局部應(yīng)力的應(yīng)變也呈現(xiàn)出隨機性。但隨即有限元法是分析隨即結(jié)構(gòu)的最有效工具手段。在分析起重機械疲勞斷裂可靠性過程，生產(chǎn)建設(shè)的實際問題無法采用顯式極限狀態(tài)方程的失效概率進(jìn)行解決。為改善此現(xiàn)狀，研究人員開發(fā)了響應(yīng)面法。該方法雖對隱式極限狀態(tài)方程設(shè)計點具有一定逼近能力，但固定不可調(diào)的函數(shù)形式仍降低了普遍適用性。

此時，相關(guān)人員研發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對函數(shù)的近似影響，即采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)近似代替固定函數(shù)形式，成功提升普遍適用性，即有效解決了以往非線性隱式極限狀態(tài)方程疲勞斷裂的可靠性分析局限。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)面法的運用，不僅具有思路簡單且易于編程的特點，還能大幅提升計算分析的精度。

對于起重機械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)疲勞強度的改進(jìn)方法，由于機械設(shè)備一旦安裝完成，很難改變運行工作環(huán)境，因此，研究人員只能將改變起重機械金屬結(jié)構(gòu)與零部件設(shè)計。只要對結(jié)構(gòu)材料、、位錯滑移堆積、機械零部件表面應(yīng)力集中問題以及塑性變形等問題進(jìn)行控制，就可增加金屬結(jié)構(gòu)的疲勞極限與疲勞強度。在此技術(shù)環(huán)境條件，起重機械金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋就難以形成，進(jìn)而提高了作用于實際工業(yè)生產(chǎn)實踐的運行效率與可靠性。這里的改善方法是指，提高表面光潔度、減緩應(yīng)力集中影響以及表面強度增加等。

4 結(jié)語

綜上所述，起重機械疲勞斷裂的擾動應(yīng)力影響，需神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對函數(shù)的近似影響，即采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)近似代替固定函數(shù)形式，以提高疲勞斷裂可靠性分析的精度與適用性。