基于斷裂力學的抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法研究

0引言

抓斗卸船機作為港口裝卸作業(yè)中的關(guān)鍵設備,其鋼結(jié)構(gòu)在長期、反復承受交變載荷作用的工況下,易發(fā)生疲勞破壞,導致設備失效甚至引發(fā)事故。因此,對抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命評估,對于預防設備故障、提高運行安全性具有重要意義。

石越峰等人^[1]通過分析不同凍融循環(huán)次數(shù)對材料性能的影響,結(jié)合統(tǒng)計學和可靠性理論,預測了防水封閉結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。但模型的建立需要大量的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)作為支撐,數(shù)據(jù)收集的難度和成本較高。同時,模型中的參數(shù)設定和計算過程較為復雜,對專業(yè)知識和技能要求較高。

此外,由于實際工程環(huán)境的復雜性和不確定性,模型的預測結(jié)果可能存在一定的誤差。張涵等人^[2]基于成形仿真和材料拉伸試驗結(jié)果,構(gòu)建了實際波紋管的有限元模型,并通過三維仿真分析獲取了波紋管在高內(nèi)壓和不同擺動工況下的循環(huán)載荷信息。結(jié)合波紋管結(jié)構(gòu)的低周疲勞失效特點,利用經(jīng)過平均應力應變修正的Manson—Coffin公式對波紋管的循環(huán)壽命進行了估算和對比分析。

此模型的建立高度依賴于準確的仿真數(shù)據(jù)和材料參數(shù),可能導致預測結(jié)果與實際表現(xiàn)之間存在一定的差異。同時,波紋管在實際工作中的環(huán)境復雜多變,模型可能無法完全考慮所有影響因素,如溫度、濕度等。

針對上述問題,本文將基于斷裂力學,以抓斗卸船機為例,開展鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法的設計研究。

1基于斷裂力學的抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)疲勞點確定

為滿足鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估需求,基于斷裂力學,進行抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)疲勞點的確定。在此過程中,引進FEA技術(shù),建立抓斗卸船機本體鋼結(jié)構(gòu)模型,將結(jié)構(gòu)劃分為若干個獨立單元,通過求解每個單元的力學響應,得出整個結(jié)構(gòu)的應力、應變等參數(shù)分布^[3]。為實現(xiàn)對力學響應過程的定量化,利用斷裂力學的應力強度因子、斷裂韌性等參數(shù),分析機械作業(yè)中的主要受力點,確定裂紋最可能萌生的區(qū)域,即鋼結(jié)構(gòu)的疲勞點。

在斷裂力學中,應力強度因子主要描述裂紋尖端附近的應力狀態(tài)^[4]。對于二維裂紋,其應力強度可以通過下述公式計算得到:

式中:K表示應力強度;σ表示材料強度系數(shù);a表示遠場應力;?表示結(jié)構(gòu)寬度;W表示材料的彈性模量。

根據(jù)上述公式,計算本體結(jié)構(gòu)模型中獨立單元應力強度因子的作用范圍,此過程計算公式如下:

d=C(K?Δb)²  (2)

式中:d表示強度因子的作用范圍;C表示材料斷裂韌性;Δb表示應力水平均值。

在上述內(nèi)容的基礎上,根據(jù)材料的臨界應力強度,進行材料抵抗裂紋擴展力的計算^[5]。計算公式如下:

式中:m表示材料抵抗裂紋擴展力;α表示臨界應力強度;S表示動載應力。

如計算結(jié)果m大于等于本體結(jié)構(gòu)強度,則定位此結(jié)構(gòu)在模型中對應的單元,將此單元映射的區(qū)域作為抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)疲勞點。

2鋼結(jié)構(gòu)應力值采集

抓斗卸船機的使用年限為鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命,因此,可采用獲取鋼結(jié)構(gòu)應力值的方式,進行機械作業(yè)中主要受力的集中分析^[6]。在此過程中,采用有限元分析的方式,構(gòu)建抓斗卸船機的三維模型,賦值材料屬性和邊界條件,針對滿載、空載、不同角度作業(yè)等工況,設置相應的載荷和約束。運行FEA,對抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)進行靜應力分析,確定在不同工況下的應力分布^[7]。根據(jù)結(jié)構(gòu)作業(yè)方式,按照下述公式,計算抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)的拉應力(壓應力)。

式中:F₁表示抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)的拉應力(壓應力);A表示鋼結(jié)構(gòu)載荷;R表示鋼結(jié)構(gòu)截面積。

根據(jù)桿件縱軸(垂直方向)作業(yè)模式與上述公式計算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)剪應力的計算,公式如下:

(5)

式中:F2表示結(jié)構(gòu)剪應力;B表示剪力。

對于抓斗卸船機中的細部結(jié)構(gòu),可以采用將靜應力和動應力進行疊加的方式,得到完整的疲勞應力數(shù)據(jù)^[8],輸出每個作用力點的總應力值。計算公式如下:

F=F₁+F₂  (6)

式中:F表示作用力點的總應力值。

按照上述方式,完成鋼結(jié)構(gòu)應力值的采集。

3疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估

在確定了抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)的應力分布后,根據(jù)循環(huán)載荷下應力的最大、最小值,確定應力范圍。此過程計算公式如下^[9]:

式中:δ表示應力有效作用范圍;δ_max、δ_min分別表示循環(huán)載荷下應力的最大、最小值。

根據(jù)應力作用范圍,確定鋼結(jié)構(gòu)上的應力作用中心,即應力集中最為顯著、最可能導致裂紋萌生和擴展的區(qū)域,或鋼結(jié)構(gòu)上受到最大應力或應力變化最劇烈的點或區(qū)域^[10]。通常情況下,此區(qū)域會呈現(xiàn)出較高的應力值或應力梯度。根據(jù)pairs—Erdogan理論,結(jié)合材料的疲勞裂紋擴展參數(shù),計算在給定的應力作用下,裂紋在該位置擴展的速率。計算公式如下:

式中:β表示裂紋擴展速率;Z表示材料的疲勞裂紋擴展參數(shù);X表示應力作用中心。

根據(jù)上述公式,結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)表面裂紋初始長度、裂紋擴展到導致結(jié)構(gòu)失效的長度,計算鋼結(jié)構(gòu)達到臨界裂紋長度所需的循環(huán)次數(shù),將其作為鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的評估結(jié)果。此過程計算公式如下:

式中:η表示鋼結(jié)構(gòu)達到臨界裂紋長度所需的循環(huán)次數(shù);φ表示裂紋擴展到導致結(jié)構(gòu)失效的長度。

按照上述方式,完成疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估。

4對比實驗

完成上述評估方法的設計后,為實現(xiàn)對該方法評估結(jié)果可靠性的鑒定,選擇某運輸單位作為試點,此單位使用抓斗卸船機作為關(guān)鍵設備,通過抓斗抓取物料并將其卸載到指定位置,進行船舶貨物的裝卸。

為進一步提高港口的裝卸能力和生產(chǎn)效率,實現(xiàn)船舶貨物的快速裝卸,需定期進行設備鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估。為確保實驗結(jié)果的真實性,對選用的抓斗卸船機主要技術(shù)參數(shù)進行分析,相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

截至目前,此抓斗卸船機已投入使用約4年,為確保其在長期作業(yè)中保持穩(wěn)定的性能,防止因疲勞破壞導致的安全事故,有必要采取一定的技術(shù)手段對其進行疲勞壽命評估。通過科學的評估方法,可以預測鋼結(jié)構(gòu)在交變應力作用下的疲勞損傷程度,從而確保抓斗卸船機的安全運行,延長其使用壽命,提高港口的裝卸效率和作業(yè)安全性。評估前,采集此抓斗卸船機近三年到港作業(yè)情況數(shù)據(jù),如表2所示。

完成上述準備工作后,布置抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估測點,測點分布如圖1所示。

在已知此設備作業(yè)參數(shù)與相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)的基礎上,選用ARIMA模型,進行抓斗卸船機鋼結(jié)構(gòu)建模,使用歷史數(shù)據(jù)訓練模型,在考慮抓斗卸船機維修系數(shù)、運行時間、已使用次數(shù)的基礎上,進行鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預測。

同時,引進文獻[1]、文獻[2]方法作為對照,對測點1~12的疲勞壽命進行評估,將本文方法與對照方法的評估結(jié)果與模型的預測結(jié)果進行比對,通過此種方式檢驗提出的方法評估效果,如表3所示。

從表3所示的結(jié)果可知,應用本文方法進行鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估,評估結(jié)果與模型預測結(jié)果的誤差在±0.1 a范圍內(nèi),而應用文獻[1]、文獻[2]方法進行評估,其結(jié)果與模型預測的結(jié)果誤差較大,無法將其作為檢驗鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最終依據(jù)。

上述結(jié)果表明,本文設計的基于斷裂力學的評估方法應用效果良好,該方法可以精準預測鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,為抓斗卸船機的規(guī)范化應用提供科學決策依據(jù),進一步輔助技術(shù)人員對此機械設備的運維與管理,解決由鋼結(jié)構(gòu)過度疲勞造成的機械故障等問題。

5結(jié)束語

抓斗卸船機在運行過程中,其鋼結(jié)構(gòu)會受到多種動態(tài)或循環(huán)性活動載荷的作用,如吊車活動載荷、海浪沖擊等。載荷會使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力集中和疲勞損傷,進而影響設備的整體性能和安全性。根據(jù)統(tǒng)計,80%~90%的機器斷裂都是由金屬疲勞造成的,在長期重復加載的情況下,鋼結(jié)構(gòu)失效是一種較為普遍的現(xiàn)象。為實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷的定量分析,本文基于斷裂力學,以抓斗卸船機為例,通過疲勞點確定、鋼結(jié)構(gòu)應力值采集、疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估,開展了鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法的設計研究,旨在通過此次設計,預測抓斗卸船機的疲勞壽命,為設備的運行管理、維修保養(yǎng)和改造升級提供科學依據(jù);同時促進斷裂力學在工程機械領域的應用和發(fā)展,推動相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和進步。

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2024年第22期第17篇