港口机械结构疲劳寿命计算探究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 5 港口机械结构疲劳寿命计算探究 刘荣进 曹妃甸港集团股份有限公司，河北 唐山 063200 摘要：摘要：因为海港作业的高强度和高频率等，造成了港口内机械设备存在高消耗的问题，也导致了许多无谓的损失，因此进行合理的机械设备管理已势在必行。通过应用 起重机设计规范 的疲劳检验技术，以及 S-N 曲线的应用，我们可以准确地测量出港口机械结构的疲劳当量载荷，从而计算出其当量应力，最终确定其使用寿命。经过详细的案例研究，证明了这种计算方式的易行性和稳定性，因此有望被普遍采纳于航空器的架构设计。关键词：关键词：港口；港口机械；当量疲劳载荷；当量疲劳应力；疲劳寿命 中图分类号：中图分类号：U691+.5 0 引言 随着全球物流行业的飞速发展，港口作为一个重要的节点，其所承担的责任和作用日益凸显。为了满足日益增长的作业需求，港口机械设备不断改进，具有体积小、连续作业、自动化程度高等优势。随着技术的进步，港口机械的作业效率和作业强度得到了显著提升，但是，它们的安全可靠性也面临着更加严苛的要求。根据统计，疲劳失效是导致引起机械零部件损坏的主要原因，其比例高达 50%-90%。因此，准确评估港口机械结构的耐久性，不仅有助于提升设备的可靠性，而且还能够有效降低运行故障率，这一点至关重要。通过对机械结构疲劳寿命的预测和安全性的分析，可以有效地提高港口起重机械的可靠性和安全性。由于机械零件在运行过程中容易受到疲劳损伤，因此，对于机械的钢结构，应该加强维护，以确保它们能够承受荷载，从而避免出现断裂的情况，从而保证设备的后期安全管理工作的顺利进行。本文深入探讨了结构疲劳寿命预测和计算的技术，并提出了一种新的港口门座起重机健康状况监测和本质安全管理系统（型号：NetCMAS-PSC40），以期望能够更有效地评估和分析结构疲劳寿命的安全性。1 结构疲劳寿命分析的基本方法 20 世纪 80 年代开始，由于中国经济的迅猛增长，许多港口机械设施被广泛应用，然而，由于其极端的工况和极端的工作负荷，这些机器的结构疲劳性能也变得越来越严重。因此，有必要进行有关港口机械的疲劳寿命预测，以期解决这一严峻的挑战。随着技术的发展，目前已经开发出了一系列能够准确评估港口机械结构的疲劳延寿的新型技术，其中包括多种应用于疲劳寿命分析的技术，如数值模拟、仿真程序等。（1）名义应力法 通过名义应力法，工作人员可以利用应用记录的曲线，对设备的实际应力进行计算，从而确定设备的寿命。此外，还可以采用有限寿命设计和无限寿命设计等多种方法，对设备的寿命进行初步评估，从而更好地掌握设备的使用寿命，从而更有效地保障港口机械的安全运行。通过分析应力参数的相关数据，我们可以将它们区分开来。这些应力参数以名义应力为基础，并以 S-N曲线（如图 1）为计算依据。在计算过程中，应根据设计寿命的不同，选择合适的设计方法。通过改变应力设计方法，可以有效地改善有限寿命设计方法。这些方法依据其所使用的名义应力参数分别称作应力比法或应力幅法。图 1 SN 曲线（2）局部应力法 局部应力法是一种用于评估机械设备耐久性的方法，它假定这些设备正在承受较低的应力。局部应力中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 6 法的应用范围主要限于应力集中的部位，因此，它无法用于评估大型或复杂结构的机械设备的耐久性。采用这种方法来估算大型机械结构的裂纹形成寿命，虽然可以提供一定的参考，但却会严重影响后续的工作，因为它会限制港口机械的正常运行。（3）损伤容限法 根据断层流体力学的原则，损伤容限法可以准确地预测船舶的劳损情况，它可以通过识别船舶结构中的原始缺陷和裂缝，并利用这些信息来评价船舶受到的外部负荷对其的影响。由于船舶的设计要求较高，而且需要持续的工作，因此，采取损伤容限法可以更加准确地预测船舶的劳损延寿。通过采用损伤容限法，我们不仅能够发现原有的零件的质量，还能够准确地评价其使用期间的耐久性，从而更好地满足船舶行业的需求。具体来说，采用损伤容限法来预测港口机械结构的疲劳寿命，将会有一系列的步骤：通过有限元分析，我们能够确定港口机械的结构受到的压力的主要区域，并确定其初始裂缝的大小。通过测量压力的变化，我们还能够预测其剩余使用寿命。（1）初始裂纹尺寸 使用无损探伤技术来检测疲劳分析中的特定部位，以确定其最大裂纹尺寸。然而，在某些情况下，无损探伤技术可能无法发现原始裂纹，因此，一般将其初始裂纹定义为 2mm。（2）临界裂纹尺寸 在结构静截面应力的计算中，应当结合载荷动力学特性，确定其强度因子，以免低于强度极限，并且应当避免高于疲劳裂纹的初始范围。当这两个因素都得到满足的情况下，就可以确定最终的临界裂缝尺寸。（3）疲劳裂纹寿命估算 当经历一个脉冲周期时，疲劳裂缝的发展速度da/dn 可以通过帕里斯公式进行估算，也就是说：da/dN=C(k)m （1）其中，c 和 m 是材料硬度系数，通过对帕里斯公式的积分，我们可以计算出材料的常数 C 和应力强度因子的范围 m，从而确定疲劳裂纹的扩展寿命。mNNaaKCdadNNfc)(/00 （2）在上述研究中，ac代表临近裂纹系数，a0代表起始裂纹系数。为了更好地分析疲劳寿命，我们采用正态分布曲线，并且尽量把损伤的风险控制在预期的范围之内，从而实现了疲劳可靠性分析。通过运用概率统计学的原则，我们能够更加精确地估算出港口机械的耐久期。（4）疲劳可靠性法 通过综合考量负荷、材质的抗拉强度及其他因素，我们可以准确地预测出机器的耐久性，从而确保它们的使用期限处于安全的状态。此外，通过 S-N 曲线的斜线部分，我们还可以精确地预测出机器的整体使用期限。2 材料疲劳特性 在相同的应力要求下，我们将试样施以相同的应力位，并进行相同的循环测力，从而计算出它在受力情况下的最大应力程度。我们将 r和 i分别用来衡量材料的抗拉能力，并用它们来描述材料的疲劳强度。如果我们进行了大量的实际测力，我们就能获得 r-Ni曲线（也叫做 S-N 曲线，又叫做 Wohler 曲线），如图 2所示。图 2 材料 S-N 曲线 曲线的函数式为 mr,iNi=C （3）在这个公式里，m 是一个固定值，它可以是母材或者是焊接部位。Ni 是一个可重复的应变量，而 C 是一个固定的值。如果我们将 N0=3104的疲劳强度值视为一个固定的循环，那么这个固定值所代表的强度 r便是疲劳的最大值。如果我们已经确定了疲劳的最大值，那么我们可以根据这个值来确定不同的循环次数的最大强度。mrirNN0i,/（4）中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 7 当应力 r=-1 时，我们可以通过将 N0=3104作为基本循环来计算出相应的疲劳强度，这个值被称为基本疲劳极限。尽管目前尚无一种完善的理论模型能够准确地揭示材料 值的物理本质，但是采用一些简单易懂的材料基本性能来关联 值仍然是一种有效的方式，而不必依赖于复杂的标准化疲劳实验。当前，最常用的方法是通过材料的抗拉强度 b来估算。然而，在某些情况下，一些文献提供的经验公式可能会更加精确和可靠。-1=(0.30.6)b （5）根据长期实践的结果，推荐采用的做法是根据材料的抗拉强度计算出 Ni=2106 的疲劳强度-1 为-1=0.357b （6）再根据 S-N 曲线公式推出 N=2106 的疲劳强度值-1 为 m101*/NNi （7）经过精确的计算，我们可以使用以上方程来描述各种金属的 S-N 曲线。例如，Q345的曲线如下所示，可以在图 3 中看到。我们还可以将这些结果与起重机设计规范（GB/T 38112008）中的实际测量结果进行比较，具体结果可以在表 1 中查看。图 3 钢材 Q345母材和焊缝疲劳曲线拟合 利用理论模型和起重机设计规范的规定，对数据进行了拟合。得出下表 1 的结果。根据表 1 的数据，Q345母材和焊缝的疲劳破坏限值与起重机设计规范的要求非常接近，而且偏差仅为 1%，因此，我们建议使用 S-N 曲线来进行模型预测。3 当量等幅循环应力转换 在日常应用场景下，由于受到的循环应力具有一定的变异性，因此需要采取一种新的方法，以便更准确地估测出应力的变异性，这种方法就是采取一种新的循环应力参数，也就是采取一种相同的当量循环应力。按照线性累积损伤理论，为了避免疲劳损伤，我们必须确保总损害小于 1，以确保安全性和可靠性。D=+1 （8）式中：ni表示在一段时间内，在一定应力水平下，结构部分的疲劳寿命（失效循环）。如果在一段时间内，在一定应力水平下，结构部分的疲劳寿命（失效循环）达到了 N，那么在这段时间内，ni所占的比例就是 ai%寿命期间的百分比，综合式(4)和(8)得 mrmmnnmmNNaaa02211d/*%.*%*%（9）d代表当量应力，它可以将不同的应力转换成相同的应力。在应力循环次数为 n 的情况下，式（9）的右侧表示材料的疲劳极限。通过这个不等式，我们可以得出结论：当量应力低于设计寿命的疲劳极限时，材料不会出现疲劳损伤。4 疲劳寿命计算 在疲劳寿命分析中，传统的名义应力法仅仅只能估算机械结构的整体寿命，并且无法反映实际情况，局部应力应变法则更加灵活，更容易估算出裂缝的发生寿命。基于断裂力学的损伤容限法则更加精确，它表 1 (GB/T 38112008)试验值对比 构件工作级别 循环次数 拟合 Q345 疲劳极限值-1 起重机设计规范提供的 Q345 疲劳极限-1 N 母材 焊缝 W0 K0 E1 1.60E+04 296.5 364.1 298 362 E2 3.20E+04 260.1 295.1 262 294 E3 6.30E+04 228.9 240.4 230 238 E4 1.25E+05 201.2 195.3 202 194 E5 2.50E+05 176.5 158.3 177 157 E6 5.00E+05 154.9 128.3 156 128 E7 1.00E+06 135.9 104.0 137 104 E8 2.00E+06 119.2 84.3 120 84 备注：1.起重机设计规范疲劳极限考虑了安全系数 1.34 2.W0 和 K0 分别表示母材和焊缝应力集中等级为无应力集中的情况 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 8 可以帮助我们更好地估算出裂缝的使用寿命，从而有效地构建一个更加完善的疲劳寿命分析体系。预测系统由以下子系统组成：（1）通过使用声发射装置，我们的缺陷或裂纹检测系统能够实时定位材料中的夹杂物、气孔和初始裂纹，并且能够准确地评估和诊断这些缺陷或裂纹。（2）通过使用特定的分析技术，我们可以对机械结构的应力和应变进行准确的测量，从而获得准确的应力应变谱。（3）基于断层力学原则的损伤容限法，我们可以有效地评估和预测机械结构的疲劳寿命，从而确定其最终的使用期限。通过结合有限元分析、超声波无损探伤、损伤容限法以及其他先进的分析方式，我们可以更加准确地评估和预测工程结构的疲劳寿命。根据给定的应力 d和应力比 r，我们可以计算出结构的疲劳极限，从而确定其寿命 L=N0()m (10)在这个公式里，d表示相同的循环应力，r表示应力比在 r 的疲劳极限，N0表示应力比在 r 的疲劳极限，m 表示材料的常量。根据这些参量，疲劳寿命可以在图 4 中看到。图 4 基于当量疲劳应力的疲劳寿命 5 应用实例 在设计过程中，由于集装箱的压缩和搬运，导致了油缸支撑的下端的焊接处可能会出现破损。使用堆高机运输的集装箱种类繁多，包括 20 英尺、40 英尺、冷冻室、储存室以及灌装室，其承受的负荷可参照表 2。表 2 载荷谱分布 载荷类型 重量/t 百分比/%20 英尺空箱 2.3 45 40 英尺空箱 4.8 45 冷藏箱 5.5 5 灌箱 6.0 5 根据表 2，计算疲劳当量载荷为 4.8t。通过对堆高机的运行过程进行研究，我们发现它的运行原理是：首先，它会将一个集装箱从地面提升至较低的水平，然后将其放置至较高的水平，并将其放置至较低的水平，之后，它会将其运行至一定的疲劳载荷，其中 max=180 MPa，min=0 MPa。采用 Q345作为门架材质，它的抗拉强度达到了b=510 MPa，而通过对（6）和（7）的拟合，母材的抗拉强度达到了-1=160 MPa，而焊接处的抗拉强度则达到了-1=112 MPa。在堆高机门架上，应力循环的形式大致为脉动循环，其中 r=0，而在断口处，应力表现为拉应力，根据 Smith 公式，疲劳极限可以计算为0=186 MPa。因此，根据疲劳当量应力及疲劳极限，可以计算出该结构的使用寿命为 55713 h。根据堆高机的平均每年运行时间 4000h 的测算，经过 10 年的使用，其最低设计寿命达到了 40000 h，这表明堆高机的门架结构具有良好的疲劳强度，完全符合设计要求。6 结语 在这篇文章中，我们提出了一种新的疲劳计算方法，它使用 Miner 原理来把复杂的载荷变成简单的当量载荷，并使用经验公式方法来估算物体的动态疲劳限制。最后，我们还使用 S-N 曲线来估算疲劳当量应力对结构的影响。经过对集装箱堆高机门架疲劳计算实例的分析，证实了这种计算方式的易行性和准确性，并且具备了良好的预测港口起重机械结构疲劳寿命的功能。参考文献 1谢贵重.一种基于数据驱动的机械结构实时疲劳寿命预测方法D.郑州:郑州轻工业大学,2021.2赵丙峰,廖鼎,朱顺鹏,谢里阳.机械结构概率疲劳寿 命 预 测 研 究 进 展 J.机 械 工 程 学报,2021,57(16):173-184.3洪克城.疲劳载荷下机械结构寿命预测方法研究D.长沙:湖南大学,2020.4徐振正.港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用J.技术与市场,2019,26(01):109-110.5靳峰雷.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性方法研中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 9 究J.中国设备工程,2018(19):131-132.6俞骏.港口机械结构疲劳寿命预测技术研究与应用J.黑龙江科学,2018,9(05):29-31.7卜莉莉.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性方法研究J.内燃机与配件,2018(04):117-118.8曹名亮.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性设计研究J.中国高新科技,2018(03):55-57.