探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

林喆柯

（廣東省特種設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展的現實意義

當前階段，起重機械設備是以間歇、周期性重復的方式運行作用，其能通過吊鉤、抓斗以及電磁鐵等吊具設備，完成升降操作。然而，由于反復起動制動，各個結構機構都將受到強烈沖擊、振動，這就使得載荷呈反向交替作用狀態，因此，一些重要構件就要承擔不穩定變幅應力的影響，進而降低構件的強度效果。

2 起重機械疲勞斷裂的成因

研究表明，起重機械設備的金屬結構疲勞是指，在某點或是某些點受到擾動影響，并在循環次數達到一定值后，因擾動形成裂紋或是完全斷裂。這里的斷裂是指，材料中發生了局部永久性結構變化。研究人員對起重機械疲勞斷裂產生原因與作用過程進行分析，是為了對設備金屬結構的耐久性與使用壽命進行預測，以達到生產建設環境對起重機械設備的安全使用要求。

經對已產生疲勞斷裂的金屬結構情況進行分析，發現擾動應力是疲勞病害的條件，即應力集中是結構發生疲勞破壞的核心原因。具體過程，就是結構應力或是應變從局部開始變高，經運行操作積累，最終導致破壞發生。首先，疲勞微裂縫，裂紋擴展次之，最后失效斷裂。對于起重設備金屬結構疲勞微裂縫來說，其主要作用于結構表面的最大局部應力部位，最小截面積部位，或是材料差異的強度薄弱部位。此外，還會作用于金屬結構內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反復操作擾動的情況下，沿著高剪切應力平面方向擴展。而后，還會沿著垂直應力方向進行破壞擴展。

對于裂縫擴展的速度與方向，是由局部應力集中的金屬結構狀況與裂縫尖端材料性質控制的。一旦疲勞裂紋達到了臨界長度，金屬結構材料本身剩余的截面積，就會很難承受施加負荷，導致失效斷裂階段突然處理。由此可判斷，斷裂產生具有快速且毀滅性的材料失效特點。從市場環境角度看，疲勞斷裂階段的裂縫擴展速度較快，但對金屬結構耐久性與使用壽命影響不大，甚至可以忽略。因此，研究人員可根據病害的破壞性質與產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展壽命。

從理論角度來看，起重機械金屬結構的疲勞裂紋擴展重要區域，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次數關系圖。

圖1 疲勞裂縫與疲勞循環次數關系圖

3 起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

從上述分析內容可以看出，起重機械設備運行出現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生前，并無明顯變形變化，這就導致設備維護人員難以發現損傷存在。這是疲勞斷裂病害具有突發性的原因所在，一旦發生，后果難以預計。現階段，對疲勞斷裂可靠性進行分析的方法，就是對起重機械危險位置的疲勞裂紋擴展機理進行分析，即根據初始裂紋尺寸與擴展速率來對金屬結構的疲勞壽命進行預測，進而確定科學合理的起重機械危險位置檢測工作開展周期。

隨著工業化進程的不斷加快，起重機械的運用范圍越來越大，其事故率也呈現出不斷上升趨勢。經分析統計，起重機械因疲勞斷裂引發的安全事故已經占到了全部工業安全事故發生的15%以上。因此，對起重機械疲勞斷裂進行可靠性分析控制，即估算起重機械疲勞壽命，是防控疲勞斷裂事故發生的重要工作內容。

此項工作，早在19世紀，發達國家科學家已經著手對金屬結構的疲勞進行分析。到現在，疲勞斷裂可靠性分析，已經廣泛運用于工業生產的各個領域。20世紀后半葉，Paris公式的提出，成為估算金屬結構裂紋擴展壽命的有效手段。此后，線彈性斷裂力學發展的運用最為成熟，是疲勞斷裂可靠性分析的理論依據。

由于我國在此領域的研究起步較晚，因此，理論基礎較差，研究與發展水平進度較為落后。此發展狀態下，疲勞壽命評估的計算方法有：名義應力法、局部應力應變法、斷裂力學法、計算機仿真分析法、斷裂力學法以及有限元分析法等。名義應力法，顧名思義，就是將金屬S-N曲線，即金屬應力-應變曲線，作為理論基礎。其可作用于起重機械金屬結構的彈性變形分析、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，存在隨意性與經驗性問題，會導致估算結果誤差較大。

局部應力-應變法，作為當前起重機械金屬結構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構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，相關人員在對起重機械疲勞斷裂進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。這里的新理論與新方法是指，基于神經網絡的隨機有限元模型與可靠性模型。

隨機有限元法，作為一種工程數值計算方法，其考量了隨機參數影響，被廣泛運用于計算起重機械金屬結構可靠度、非線性問題、動力問題以及復合材料力學問題等。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展運行水平不斷進步。但運用時，易受工作環境復雜問題的影響。在受諸多不確定因素影響的情況下，使得局部應力的應變也呈現出隨機性。但隨即有限元法是分析隨即結構的最有效工具手段。在分析起重機械疲勞斷裂可靠性過程，生產建設的實際問題無法采用顯式極限狀態方程的失效概率進行解決。為改善此現狀，研究人員開發了響應面法。該方法雖對隱式極限狀態方程設計點具有一定逼近能力，但固定不可調的函數形式仍降低了普遍適用性。

此時，相關人員研發了神經網絡對函數的近似影響，即采用神經網絡函數近似代替固定函數形式，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方程疲勞斷裂的可靠性分析局限。神經網絡響應面法的運用，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。

對于起重機械設備金屬結構疲勞強度的改進方法，由于機械設備一旦安裝完成，很難改變運行工作環境，因此，研究人員只能將改變起重機械金屬結構與零部件設計。只要對結構材料、、位錯滑移堆積、機械零部件表面應力集中問題以及塑性變形等問題進行控制，就可增加金屬結構的疲勞極限與疲勞強度。在此技術環境條件，起重機械金屬結構的疲勞裂紋就難以形成，進而提高了作用于實際工業生產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、減緩應力集中影響以及表面強度增加等。

4 結語

綜上所述，起重機械疲勞斷裂的擾動應力影響，需神經網絡對函數的近似影響，即采用神經網絡函數近似代替固定函數形式，以提高疲勞斷裂可靠性分析的精度與適用性。