探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

劉玉龍，張強，王大偉

（舟山鼠浪湖碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

起重機械在工業生產領域、港口碼頭、建筑施工等行業中有著非常廣泛的應用。起重機械工作環境惡劣，經常以間歇式或者連續式的方法進行工作，吊運的貨物重量大小不一，工作范圍大，起重高低不同，這些因素都會對起重機械的疲勞強度造成極大影響，這是起重機械在運行中頻繁發生疲勞斷裂安全問題的主要原因。開展起重機械疲勞斷裂可靠性分析，有利于對起重機械疲勞斷裂情況進行預測、分析、評估，為起重機械運行方案的調整和檢修養護提供真實有效的參考，從而保證起重機械始終處于安全、穩定、可靠的運行狀態?；诖?，開展起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展探討研究就顯得尤為必要。

1 起重機械疲勞斷裂的相關概述

金屬結構的疲勞指的是某一個點或者某些點在承受多次循環擾動應力后，發生裂紋或者是斷裂，是一種金屬結構局部發生變化的過程。對起重機械疲勞斷裂可靠性分析有利于對金屬結構使用壽命的準確預測。起重機械疲勞斷裂發生的主要條件是需要有擾動應力的作用，應力集中位置就是起重機械發生疲勞斷裂的位置。多數情況下，起重機械疲勞斷裂在應力集中或者是應變過高的位置，從中可以看出，引起起重機械疲勞斷裂的主要特點是局部性，起重機械疲勞斷裂引起的后果是形成裂紋，若不進行及時處理和修復，裂紋會逐漸演變成斷裂。對金屬結構而言，疲勞斷裂主要分為3 個階段，即彈性變形、塑形變形、斷裂。

2 起重機械疲勞斷裂的成因

起重機械長期處于一個變化和復雜的工作環境中，在整個服役過程中，要經受數以百萬計的交變應力反復作用。所以，疲勞斷裂就成了一種普遍的失效模式。在理想的服役條件下，可以對結構部件及工程部件的服役壽命作出判斷，但由于吊裝設備服役條件的復雜性，使得其服役條件的不確定性增大，使得其服役性能的計算精度受到很大影響。在此基礎上，提出了一種基于統計與概率相結合的結構體系，并將其與疲勞可靠度理論相結合，對結構體系進行可靠度計算。從重機械疲勞斷裂的過程和特點可以看出，疲勞失效的發生順序是：疲勞微裂紋形成，疲勞裂紋擴展，以及最后的斷裂失效。疲勞微裂紋一般出現在金屬結構的表面上最大局部應力或最小截面積的區域，或者是因為材料的不同而造成的強度最弱的區域，以及因為內部缺陷而造成的強度較低的區域。當微裂紋產生時，裂紋會在數千次循環中沿著高剪切力面（PSB）和垂直應力面（LC）兩個方向上的裂紋擴展。裂紋的發展速度和發展方向取決于裂紋的發展狀態和裂紋尖端的材料特性。當疲勞裂縫的寬度超過極限的時候，金屬構件剩余的截面就會因為承受不住載荷而迅速崩潰。在疲勞斷裂階段，裂紋的擴展速度更快，它對壽命的影響相對來說很小，可以被忽略，所以，疲勞裂紋總壽命由裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命兩個部分組成。通過疲勞斷裂力學理論可知，疲勞裂紋擴展最重要的區域是從無損檢測到的最小裂紋長度到臨界裂紋長度之間。具體的疲勞裂縫和疲勞循環次數關系如圖1所示。

圖1 疲勞裂縫和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

起重機械疲勞斷裂是一種因為長期損傷，但沒有及時修復處理，而引起的結果。在發生起重機械疲勞斷裂之前，起重機械并不會出現明顯的變形，僅憑肉眼難以準確識別出發生損傷的位置。這就使得起重機械疲勞斷裂具有突發性，造成的影響和后果也非常嚴重，應用科學合理的起重機械疲勞斷裂可靠性分析方法，對起重機危險位置的疲勞裂紋的成因，以及擴大趨勢進行分析研究，通過分析判斷初始裂紋的尺寸和裂紋發展的速度，就能預測出起重機械的疲勞壽命，再以此為據，提出起重機械危險位置檢測周期，制定檢測方法，從而保證起重機械始終安全良好的運行狀態。

現階段，起重機械在我國各大領域都有良好的應用，雖然在一定程度上提升生產效率，減輕了人力勞動量。但安全事故也在不斷提升，起重機械疲勞斷裂事故是起重機運行中最常見的安全事故，占起重機全部事故的15%以上。從中不難看出，嚴禁起重機械疲勞斷裂對性具有非常重要的意義，可準確評估起重機械的疲勞壽命，從而降低起重機發生機械疲勞斷裂的概率，提升起重機械運行的安全性和穩定性。

早在19 世紀初期，很多科學家就金屬結構的疲勞性進行了大量研究分析，經過將近200 年的努力，金屬結構疲勞斷裂可靠性分析被廣泛應用在各大領域。在1961 年Paris 公式作為金屬結構疲勞斷裂可靠性分析的主要工具。隨著科學技術的飛速發展，斷裂力學研究的深度和廣度不斷提升，出現了線彈性斷裂力學，這為后期金屬結構疲勞斷裂可靠性分析提供了理論基礎。我國對金屬結構疲勞斷裂可靠性分析研究的起步比較晚，相關理論基礎比較差，研究水平和發展進度都比較滯后。直到1978 年金屬結構疲勞會議的召開，我國才開始大力研究和發展金屬結構疲勞斷裂可靠性分析。

目前，在金屬結構疲勞斷裂可靠性分析中可用的方法比較多，呈現出多元化的發展趨勢，常用的有名義應力法、斷裂力學法、局部應力應變法、計算機仿真分析法、有限元分析法等。

名義應力法的主要理論基礎為金屬的S-N 曲線，對起重機械進行彈性變形、塑性變形、斷裂進行分析研究。此種方法也是金屬結構疲勞斷裂可靠性分析中應用最早的方法，具有計算簡單、理論知識成熟的優勢，但在分析中會忽略掉根部塑形變形和加載順序的影響，存在一定的隨意性，誤差比較大。

斷裂力學法是一種從斷裂力學基礎上發展而來的起重機械疲勞斷裂可靠性分析方法，從起重機械疲勞斷裂特點和原因的角度來看，此種分析方法是合理的，但由于存在經驗性數據不準確問題，以及應力計算比較復雜等問題，使得裂紋判斷難度比較大，起重機械疲勞斷裂可靠性分析誤差比較大，會影響起重機械的安全使用壽命估算的準確性。

局部應力應變法是明確起重機械疲勞斷裂可靠性分析中最有效的安全使用壽命評估方法，被廣泛應用于金屬結構焊接、起重機械等大型金屬構件和機械設備的疲勞壽命評估。但在計算高強度疲勞時，準確性會明顯降低，且分析過程比較復雜，任何一個細節分析不到位或者計算措施，都會影響起重機械疲勞斷裂可靠性分析的準確性。

計算機仿真分析法和有限元分析法是目前起重機械疲勞斷裂可靠性分析中比較先進的分析方法。近年來，大量研究學者和專家，在起重機械疲勞斷裂可靠性分析中融入了新的技術、方法，為起重機械疲勞斷裂可靠性分析的分析提供新的估算方法。有限元分析法是20 多年來才發展起來的一種基于計算機仿真模擬軟件的工程數值計算方法。此種分析方法，最大的優勢是可將影響起重機械疲勞斷裂可靠性的隨機參數也進行分析。只需要輸入相關參數，就能快速形成一個仿真模型，實現對金屬結構可靠度、動力問題、非線性問題、復合材料力學的三維可視化分析。隨著起重機械疲勞斷裂可靠性分析理論、技術、方法、設備的不斷發生，有限元分析法愈發先進，為起重機械疲勞斷裂可靠性分析提供了新的技術支撐。由于起重機械工作環境復雜，影響因素多，而且很多因素都是不確定性，這就使得起重機械在運行中所有受到的應力和應變具有隨機性，通過隨機有限元分析法，可實現對起重機械疲勞斷裂可靠性的全面分析。

在進行起重機械疲勞斷裂可靠性分析中，工程實際問題已難以充分利用顯式極限狀態方程失效概率來得到有效的解決，為解決這一問題，需要結合起重機械化設備的運行特點和環境，加大響應面法的應用。雖然對隱式極限狀態方程的設計點有一定的逼近能力，但其固定不可調的函數形式，會影響使用的普遍性。此時，可利用神經網絡函數近似值來代替固定函數形式的傳統響應面法，以提升解決非線性隱式極限狀態方程疲勞斷裂可靠性分析問題的能力，神經網絡響應面法不僅思路簡單，而且編程方便，具有強大的計算能力和分析能力，計算準確性也比較高，是目前乃至未來很長時間內起重機械疲勞斷裂可靠性分析的主流方法。神經網絡作為一類經典的解析方法，其對函數逼近的普適性使其可用于替代已知的函數形狀固定的響應面。本項目的研究成果將有助于提高在復雜系統中應用的壽命預測精度。與其他的方法相比，神經網絡方法更易于編程，思路也更簡單，但其計算的準確性已經有了很大的提升，因此，在未來的工作中，該方法將可以被有效地使用，在未來的工作中，我們還需要繼續努力。

4 起重機械疲勞斷裂修復要點

金屬結構件最普遍的疲勞問題就是焊縫的開裂，在進行開裂焊縫的修復前，先用砂輪對開裂部位的老焊縫進行研磨，研磨的長度要比焊縫開裂部位的長度長，然后，用10 倍的顯微鏡對其進行觀察，看有沒有殘留的裂紋，如果有殘留的裂紋，則要用砂輪對其進行研磨，以保證殘余裂紋可以被完全地處理掉。對于一些關鍵部件，比如臂部，也要用探測器來檢測，以確保裂縫完全暴露出來。補焊時，避免使用受潮的焊條，焊前對補焊的部位進行預熱，焊后采用熱保溫，溫度應在500℃左右，30min，用石棉覆蓋2h，當焊縫溫度降到室溫后，用鐵錘敲擊補焊部位及其附近部位20min。修復焊接后，結構件應該放置一段時間，即不要用起重機直接進行貨物的搬運，最好不用一個星期。開始吊貨時，要避免滿負荷裝卸，應先起吊額定荷載的30%左右，運行2 小時后再起吊額定荷載的50%左右，最后，起吊起重機的額定荷載可以有效地防止焊接殘余應力和應力集中，在較短的時間內將殘余應力釋放出來。在相同的地方，補焊后再次出現焊接裂縫，一般都是因為焊接的脆化，或者是因為能量流動不順暢，導致了局部的應力增加，又或者是因為吊裝的載荷過載。此外，還要看兩次裂紋之間的間隔時間，如果在很短的時間內，再次出現裂紋，一般說明上一次補焊的焊接質量并不是很好，如果間隔的時間很長，那么就是一種疲勞裂紋，所以要重新進行補焊，除了按照上述的工藝措施進行補焊外，還要對其進行適當的加固。比如貼新板焊等，并且在修復后用超聲儀檢測。

5 結語

綜上所述，結合理論和實踐，分析了起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展，分析結果表明，疲勞斷裂對起重機械會造成嚴重影響，輕則無法繼續使用，影響生產效益；重則會引起嚴重的安全事故，造成無法挽回的人員傷亡和社會影響。開展起重機械疲勞斷裂可靠性分析，有利于對起重機械疲勞斷裂進行更加系統的分析研究，對起重機械的疲勞情況進行分析評估，為疲勞斷裂問題的檢修、修復等提供必要的參考和指導，從而保證起重機械始終處于安全可靠的狀態。在起重機械疲勞斷裂可靠性分析中可用的方法比較多，每種分析方法都有其獨特的優勢和缺點，需要結合實際情況，采用科學的分析方法，以保證疲勞斷裂可靠性分析的準確性，提升起重機械的安全使用壽命。