起重機金屬結構裂紋復合修復方法探討

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院婁底分院，湖南 婁底 417000）

1 對于理論方面的探究

基于斷裂力學理論可以知道，裂紋尖端存在塑性區，塑性區對于斷裂的模式和裂紋拓展水平有著一定程度的影響，假設將塑性區去掉，在裂紋尖段位置鉆取一項孔徑高于塑料區的小孔，能夠有效地避免裂紋擴展現象的發生，受變形現象而產生的應力松弛，會導致塑料區有所擴大，一旦止裂孔孔徑比較小，是無法徹底消除塑性區產生的相關影響，孔邊依舊具備明顯的應力集中，而止裂孔的孔徑太過大的話，可能會因為板件截面削弱而增加構件凈截面的平均應力，影響了構件強度的提高。

CFRP修復加固金屬結構的運行原理表現為：經由環氧樹脂把CFRP材料粘貼于金屬結構表面，使其成為CFRP-膠層-金屬結構。根據相應的受力情況將CFRP粘貼于軸向拉伸金屬構件中。在金屬結構受載的時候會出現變形現象，變形經過膠層傳遞于CFPR中，CFRP有著良好的彈性模量，能夠承擔較多的荷載，以此產生極佳的修復加固效果。

針對CFRP止裂孔負荷修復的試件，可以根據應力集中系數K1對應力集中情況進行評價，公式如下所示：

2 仿真分析情況

起重機疲勞裂紋一般是表現在受力較大的位置中。從實際情況來看，疲勞裂紋包含了三種類型，分別是張開型、滑開型以及撕開型。在這其中，張開型是危險性最高的一種裂紋類型。基于安全方面得出，對于起重機金屬結構的裂紋來講，一般是按照張開型裂紋進行處理。為了確保數據的準確性，使用包含中心穿透裂紋的緊湊拉伸試驗模型，裂紋的長度大約是10mm，遵循鋼結構加固技術中的標準要求，選擇止裂孔的孔徑D＝3mm。并且，要想將CFRP的修復加固效果體現出來，可以應用規格是100mm×40mm的CFRP板。

2．1 比較修復方式

根據模型具備的對稱性特征，可以分別構建多項有限元模型，在構建相關模型的過程中，要想對止裂孔邊緣的應力進行十分準確的模擬，應當使用Solid45立面體單元來細化鋼板孔周邊的局部網格，單元尺寸為0.2mm。CFRP修復部位一般是應用映射劃分網格，根據節點耦合命令，使得CFRP、膠層以及金屬的網格劃分保持相同性，這從一定程度上達到了金屬-膠CFRP相互傳力的目的。對于沒有修復的部位來講，則是應用自由劃分網格的形式，加大對網格數量的控制力度，以此確保計算的準確性。

通過相關探究得出，CFRP修復使得裂紋尖端的應力強度因子下降，以100MPa拉應力舉例說明，通過CFRP修復之后設裂紋鋼板應力強度慢慢的降低。再者，分析止裂孔單一修復、CFRP止裂孔復合修復情況，在鋼板承受著20MPa的均勻拉伸載荷的情況下，止裂孔的最大應力位于孔的上邊緣，是104.865MPa，計算出來的理論應力集中系數則是4.85。CFRP止裂孔復合修復的應力云圖如1圖所示。

圖1 CFRP止裂孔復合修復的應力云圖

其中，應力分布規律和止裂孔單一修復的應力分布規律差不多，最大應力表現為70.1257MPa。計算出來的應力集中系數是3.839，和止裂孔單一修復的應力集中相比較來看降低了20.84%。從中可以看出，應用CFRP止裂孔復合修復裂紋鋼板產生的作用是非常高的，除了能夠使止裂孔中心截面處的應力下降之外，與此同時，還可以降低應力集中系數，避免了止裂孔邊緣的應力集中。從止裂孔單一修復和CFRP止裂孔復合修復的應力變化情況來看，試件的最小應力逐漸下降，在施加大荷載的過程中應力明顯減少，承載性能有所提升。

2．2 止裂孔打偏現象對于復合修復方式產生的相關影響

在具體操作環節中，因為沒有辦法對裂紋尖端的位置進行精準的辨認，或者是止裂孔出現了打偏現象，和裂紋尖端相互叉開，進而實現了止裂修復效果的體現。本文通過分析裂紋尖端距止裂孔圓心情況來解決此種現象。本文以σ=120MPa進行舉例說明，分別使L=1.5，3,4.5mm。圖2是L=4.5mm時止裂孔修復CFRP止裂孔復合修復圖。

圖2 CFRP止裂孔復合修復圖

從圖2可以看出，模型位于兩個應力集中區域內，其中表現為裂紋尖端和圓孔周邊。裂紋和止裂孔的出現對于模型的整體應力分布情況產生了直接性的影響，其中裂紋尖段中包含的最大應力，獲取的應力強度因子是545.85，和止裂孔位于裂紋尖段位置的應力強度相比較而言要大許多，不過此種現象無法對應力集中加以改善。而應用了CFRP止裂孔負荷修復試件后，應力整體呈現出了下降的現象，應力強度因子是295.43，和只是用CFRP產生的修復效果相同。

3 后期試驗

本次試驗是以CFRP止裂孔負荷修復典型焊縫裂紋產生的效果，通過對止裂孔修復、負荷修復之下的應變在和曲線進行探究，然后獲取金屬結構的承載性能。

3．1 制定相應的試驗方案

在試驗期間，一共設計了兩種類型的鋼板試件，對兩項不同位置止裂孔的中心裂紋進行了相應的預制，試件尺寸和仿真模型相同。具體如表1所示。

表1 試驗模型

應用電子萬能試驗機設備實行拉伸試驗工作，加載速率表現為0.2kN/s，逐一對止裂孔修復、負荷修復焊縫裂紋試驗實行拉伸試驗工作。對試件進行持續性的加載，一直到材料出現塑性變形情況之后，應當馬上停止加載。

3．2 試驗結果的獲取

對于試件的應變載荷曲線如圖3所示。

圖3 試驗應變-載荷曲線

從圖3中可以看出，受外載作用力的影響，應變伴隨著載荷的增加而隨之增加，在小載荷情況下，各項試件之間的應變無明顯的差別，基于載荷和計算理論屈服載荷相互接近的過程中，使用不同的修復方式使得試件的應變值差距非常的明顯。產生的修復加固效果表現為：SR-1→NR-1→SR-2→NR-2。針對止裂孔修復方式的應用情況來看，NR-2的應變和NR-1的應變情況相比較來看要大于很多，特別是在載荷是21.6KN的情況下，試件NP-2呈現出屈服的現象，產生變形。而應用CFRP止裂孔實行復合修復工作的時候，試件SR-1和SR-2中的應變值均有了明顯的改善。