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1、港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用交通部水运科学研究院刘晋川张玉波丁敏摘要:对结构疲劳寿命预测的主要方法进行讨论,分析了基于断裂力学的结构疲劳寿命预测的必要性,介绍了损伤容限法的计算方法,开发了相关的结构疲劳寿命安全评估分析系统。关键词:港口机械;疲劳寿命;安全评估;断裂力学Abstract:Mainmethodstoforecaststructuralfatiguelifearediscussedandthenecessitytoforecaststructurefatiguelifebasedonfracturemechanicsisexpounded1B
2、asedonthis,astructuralfatiguelifeestimatingsystemisdevelopedusingtheallowabledamagemethod1Keywords:harbormachinery;fatiguelife;safeestimation;fracturemechanics发展起来的疲劳寿命估算方法,其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。局部应力应变法目前主要应用于单个零件的疲劳分析,对于大型复杂结构,尚难以进行精确的应力应变分析。(3)损伤容限法。在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳分析方法。其基本原则是承认材
3、料内有初始缺陷(裂纹),根据材料在外载荷下的裂纹扩展性质,估算其剩余寿命。(4)疲劳可靠性法。在考虑了载荷、材料疲劳性能和其他影响疲劳寿命数据分散性的基础上,提出疲劳破坏的概率,保证在一定范围内不破坏。上述疲劳寿命分析方法中,根据S—N曲线的斜线部分进行寿命估算的名义应力法算出的是总寿命。局部应力应变法算出的是裂纹形成寿命。根据断裂力学方法进行寿命估算的损伤容限法算出的是裂纹扩展寿命。裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和为总寿命。1引言结构疲劳寿命预测及安全性分析不仅在航天、航空、造船等尖端工业领域有着十分重要的意义,对一般机械设备的使用的可靠性和安全性也具有重要作用。
4、根据国外的统计,机械零件的破坏50%～90%为疲劳破坏[1]。我国目前尚没有对疲劳破坏问题做过全面调查,但同类产品的使用寿命往往比发达国家低,存在的问题也更为严重。港口起重机械是码头装卸船的关键设备,其钢结构作为承受载荷的部件,在循环往复的交变载荷作用下,都可能发生裂纹萌生、扩展,并导致突然断裂的破坏。结构疲劳破坏是实际工作中比较常见的现象,正确估算港机金属结构的疲劳寿命,并对其安全性进行概率评估,对港口运营安全性、可靠性具有非常重要的意义。2结构疲劳寿命分析基本方法3起重机结构疲劳寿命分析概况疲劳寿命分析主要包括以下4种方法:(1)名义应力法。以名义应力为基本参
5、数,以S—N曲线为主要计算依据。根据设计寿命的不同,分为无限寿命设计法和有限寿命设计法;根据名义应力参数的不同,又分为应力比法和应力幅法。(2)局部应力应变法。是在低周疲劳基础上《起重运输机械》2008(3)20世纪60年代初,我国少数研究院开始进行疲劳问题的研究试验,1978年召开了首次全国性的疲劳问题讨论会。疲劳分析工作进展最快的是航空工业部门,其开展的试验研究为我国疲劳分析的推广应用奠定了很好的基础。港口机械开展结构疲劳寿命研究与试验、检—1—测开始于20世纪90年代。随着我国经济建设的发展,港口有了大的发展,大量的港口装卸设备投入使用,同时一批国外二手设备
6、也流入国内码头。港口繁忙的工作状态、恶劣的工作环境、循环往复装卸船的工作性质造成港口装卸机械结构疲劳问题日益严重,推动了港机结构疲劳寿命分析工作的开展。目前,对大型金属结构,尤其是受变载、重载的港口起重机械含缺陷钢结构的疲劳寿命预测及安全寿命评估技术、维修与护理方面的研究尚未广泛与深入开展,也未形成适合各港口机械特点的系统的安全性检测、分析与评估方法。311名义应力法目前,港口机械进行结构疲劳分析与寿命评估,主要采用名义应力法[2～5]。名义应力法的主要分析步骤为:(1)用雨流计数法统计出结构疲劳分析位置在典型工作时间历程中的应力循环情况,确定结构的载荷谱和应力谱
7、。应力循环可以选择典型工作状态计算分析,也可以现场检测结构应变获取应力谱。(2)结合材料的S—N曲线,再考虑各种影响系数,确定结构构件的S—N曲线。(3)按照线形(或非线形)累计损伤法则进行疲劳强度分析。线形累计损伤法则(Miner法则)简单易用,但该法则没有考虑加载循序、残余应力、低于疲劳极限的应力对结构的影响和某些应变时效材料的低应力锻炼作用,估算出的寿命与实际寿命相比出入较大。采用修正后的Miner法则(非线形累计损伤法则)可以提高分析准确度,如Marco-Starkey损伤曲线法和Corten-Dolan指数损伤法。(4)按照一定的累计损伤理论进行疲劳寿命
8、估算。以总
