肖祺濱，曹 鵬，周 雄，彭語堂，陳 科，宋 奎，唐現(xiàn)瓊

(1.湘潭大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100084；3.北京泛泰克斯儀器有限公司，北京 102629；4.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引言

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)勢(shì)不可擋，國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)日益暢通，沿海港口的吞吐量逐年遞增.軌道式集裝箱門式起重機(jī)(軌道吊)作為重要的裝卸和搬運(yùn)設(shè)備，在港口的應(yīng)用越來越廣.科學(xué)地評(píng)估軌道踏面疲勞壽命情況，有利于保障軌道吊安全運(yùn)行.由于軌道踏面長(zhǎng)時(shí)間暴露在外界，不僅受到小車循環(huán)荷載的反復(fù)作用，還會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響，因此，軌道踏面更容易發(fā)生疲勞破壞.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小車軌道結(jié)構(gòu)的疲勞破壞進(jìn)行了大量研究.Zhao等[1]通過大量的載荷試驗(yàn)探討了疲勞載荷的不確定設(shè)計(jì)參數(shù)，總結(jié)了起重機(jī)梁頻繁疲勞失效的主要原因；Wu 等[2]編寫了一個(gè)數(shù)值程序，模擬起重機(jī)關(guān)鍵部件的累積疲勞損傷次數(shù)；李思云等[3]以CRTS-I型板式無砟軌道為研究對(duì)象，建立彈性地基梁一體模型進(jìn)行疲勞加載分析，預(yù)測(cè)CRTS-I型板式無砟軌道在重復(fù)列車荷載和溫度荷載共同作用下的疲勞壽命；邊凱瑞等[4]在ANSYS中建立有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析不同軌道單元段、不同軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，采用基于線性疲勞累積損傷理論對(duì)過山車軌道進(jìn)行壽命預(yù)估；帥飛等[5]結(jié)合ABAQUS和 Fe-safe軟件研究累積損傷理論在起重機(jī)壽命中的應(yīng)用；Park 等[6]使用塔式起重機(jī)正常運(yùn)行條件下測(cè)得的負(fù)載來估計(jì)減速器托架的疲勞壽命，然后通過靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證回轉(zhuǎn)減速機(jī)的預(yù)期壽命；王超[7]利用沖擊載荷譜和有限元靜應(yīng)力分析結(jié)果，結(jié)合材料的S-N曲線和疲勞分析理論，估算橋式起重機(jī)外主梁的疲勞壽命；Avila[8]根據(jù) AASHTO 標(biāo)準(zhǔn)初步計(jì)算起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命，然后在ANSYS軟件中通過數(shù)值模擬獲得最不利載荷條件下的交變應(yīng)力，以此確定每個(gè)關(guān)鍵焊接接頭的疲勞壽命；Euler等[9]提出了根據(jù)起重機(jī)操作的類型來預(yù)測(cè)起重機(jī)跑道梁的疲勞載荷的方法；Xu等[10]采用二參數(shù)基函數(shù)分析Q235B鋼的裂紋擴(kuò)展，建立響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)起重機(jī)的疲勞壽命；盧寧[11]用ANSYS APDL聯(lián)合ADAMS進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到該工況下工作循環(huán)的載荷譜，然后利用nCode DesignLife對(duì)該工況下的塔式起重機(jī)進(jìn)行疲勞分析.然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究小車軌道結(jié)構(gòu)的疲勞破壞過程中，極少有對(duì)小車軌道模型進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，因此，難以確保所研究模型的準(zhǔn)確性.

本文以廣州港某軌道吊的軌道踏面為研究對(duì)象，首先通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)軌道踏面不同負(fù)載下的應(yīng)力狀況，尋找最不利位置點(diǎn)；隨后建立軌道踏面簡(jiǎn)化模型，分別在多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和有限元軟件ANSYS中進(jìn)行仿真計(jì)算，并將計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果與實(shí)測(cè)的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷軟件模擬的準(zhǔn)確性.最后采用線性疲勞累積損傷理論結(jié)合可編程邏輯控制器(PLC)大數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)估方法，依據(jù)仿真所得的時(shí)間應(yīng)力歷程對(duì)小車軌道踏面進(jìn)行壽命預(yù)測(cè).

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝

為了保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提前在廣州港某軌道吊(如圖1所示)的軌道踏面預(yù)留安裝面并采用冷焊技術(shù)將應(yīng)變傳感器焊接在測(cè)點(diǎn)位置.然后，在應(yīng)變傳感器上覆蓋一層防腐膠(環(huán)氧膠)進(jìn)行密封保護(hù)(如圖2所示).本文根據(jù)廣州港現(xiàn)場(chǎng)某軌道吊的布置方式，在小車軌道的軌道踏面前后兩端(靠近立柱位置)、中部位置共布置6個(gè)應(yīng)變傳感器(如圖3所示)，以便準(zhǔn)確、完整地收集到小車在軌道上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)軌道踏面的應(yīng)力狀態(tài).

圖1 軌道吊Fig.1 Rail crane

圖2 應(yīng)變傳感器安裝示意圖Fig.2 Strain sensor installation diagram

圖3 應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Strain sensor measuring point layout

1.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)載重的記錄以及PLC大數(shù)據(jù)庫查詢，廣州港某軌道吊小車自重90 t，裝載主要為10 t、20 t、30 t、40 t、50 t和60 t.經(jīng)過6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到軌道踏面在6種工況下的應(yīng)變數(shù)據(jù).根據(jù)PLC數(shù)據(jù)庫可知，軌道踏面結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼，其彈性模型為210 GPa.根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算公式(1)，得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如表1所示.

(1)

式中：E為彈性模量；σ為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力；ε為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變.

小車在運(yùn)行過程中，需經(jīng)過加速階段、勻速階段和減速階段.當(dāng)小車(吊車)在加速階段時(shí)，其動(dòng)能變化最大，而小車在減速階段時(shí)，動(dòng)能變化略小于加速階段，大于勻速階段.因此，處于加速階段的測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力應(yīng)變最大.此外，根據(jù)廣州港某軌道吊的運(yùn)行習(xí)慣以及裝箱習(xí)慣，靠近測(cè)點(diǎn)1位置放置的集裝箱貨物略微多于測(cè)點(diǎn)2位置.因此，當(dāng)小車和吊車位于測(cè)點(diǎn)1時(shí)，其應(yīng)力在軌道踏面各測(cè)點(diǎn)位置最大.

表1 實(shí)測(cè)軌道踏面各測(cè)點(diǎn)負(fù)載-應(yīng)力對(duì)應(yīng)表

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型建立

考慮本文主要研究軌道踏面且軌道吊整機(jī)建模較為復(fù)雜，因此，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化.為了便于計(jì)算以及保證模型與實(shí)際軌道踏面參數(shù)一致，將軌道吊大梁下方作為支撐主梁的4個(gè)立柱由約束條件代替；將軌道吊中除小車軌道部位以外的結(jié)構(gòu)全部去除，并將其質(zhì)量折算成荷載，施加在小車或者軌道上，即將吊車以及吊車上的集裝箱折合成負(fù)載，作用于小車上.

本文分別使用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和有限元軟件ANSYS研究軌道踏面.為了保證模型的一致性，統(tǒng)一通過三維CAD建模軟件SolidWorks建立軌道踏面的簡(jiǎn)化模型，并將模型分別導(dǎo)入ADAMS和ANSYS.兩種軟件中導(dǎo)入模型的區(qū)別在于ADAMS中的模型為小車和軌道，如圖4所示.而ANSYS中僅有軌道，小車結(jié)構(gòu)被折算成荷載施加在軌道踏面上，如圖5所示.

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文主要研究軌道踏面的疲勞壽命，為了減少計(jì)算規(guī)模，將軌道踏面視為柔性體，小車視為剛體.在ADAMS中，采用Shell 181單元對(duì)軌道踏面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軌道踏面網(wǎng)格尺寸為4 mm，軌道其他部分網(wǎng)格尺寸為100 mm.小車軌道的網(wǎng)格尺寸(剛?cè)狁詈夏Ｐ?如圖6所示.

根據(jù)實(shí)際的小車軌道踏面數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)和約束設(shè)置.按照實(shí)際的小車軌道踏面?zhèn)鞲衅鞑贾煤洼d重設(shè)置，在小車上分別施加10 t、20 t、30 t、40 t、50 t、60 t的負(fù)載，小車本身載重90 t；查詢PLC大數(shù)據(jù)庫后，在ADAMS中對(duì)小車車輪旋轉(zhuǎn)副施加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，仿真時(shí)間為20 s.根據(jù)ADAMS仿真結(jié)果顯示，6種工況下最不利位置均出現(xiàn)在1號(hào)測(cè)點(diǎn).小車負(fù)載10 t時(shí)，軌道踏面最大應(yīng)力為170.94 MPa，位于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，如圖7～圖12所示.其他工況應(yīng)力狀況見表2.

表2 ADAMS軌道踏面負(fù)載-應(yīng)力對(duì)應(yīng)表

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在ANSYS中同樣采用Shell 181單元對(duì)軌道踏面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置軌道踏面網(wǎng)格尺寸為4 mm，軌道其他部分網(wǎng)格尺寸為100 mm.軌道的網(wǎng)格尺寸如圖13所示.根據(jù)實(shí)際的傳感器布置位置，在軌道踏面設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖14所示.并依次施加90 t +10 t、90 t +20 t、90 t +30 t、90 t +40 t、90 t+50 t、90 t +60 t的負(fù)載；ANSYS仿真計(jì)算得到6個(gè)工況下軌道踏面的應(yīng)力狀況，結(jié)果如表3所示.測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力云圖如圖15～圖20所示.

圖14 軌道踏面測(cè)點(diǎn)(傳感器)布置圖Fig.14 Track tread mesauring point (sensor)layout

表3 ANSYS軌道踏面各測(cè)點(diǎn)負(fù)載-應(yīng)力對(duì)應(yīng)表

對(duì)比ADAMS、ANSYS和實(shí)測(cè)的結(jié)果，軌道踏面的最不利位置皆出現(xiàn)在1號(hào)測(cè)點(diǎn).因此，可以確定軌道踏面的最不利位置為1號(hào)測(cè)點(diǎn)，其應(yīng)力如表4所示.

表4 軌道踏面應(yīng)力誤差對(duì)應(yīng)表

由表4可知，ADAMS、ANSYS和實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差均在5%左右，最大誤差僅為5.16%.參考邊瑞凱[4]對(duì)過山車軌道的疲勞評(píng)估、黃曉杰[12]使用ANSYS對(duì)岸橋起重機(jī)部件應(yīng)力壽命的分析和基于nCode DesignLife的起重設(shè)備疲勞壽命預(yù)測(cè)[13]等文獻(xiàn)，本文兩種模擬結(jié)果可以視為在合理的誤差范圍內(nèi).因此，使用ADAMS和ANSYS模擬軌道踏面是有效且精度較高的.

3 疲勞壽命分析

軌道踏面不僅全程支撐小車，還長(zhǎng)時(shí)間地承受高強(qiáng)度的作業(yè).因此，軌道踏面的疲勞問題屬于高周疲勞問題.如果用傳統(tǒng)的疲勞壽命估算方法估算軌道踏面的疲勞壽命，不但難度較大、任務(wù)量大，而且預(yù)測(cè)結(jié)果也不準(zhǔn)確.本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS及有限元分析軟件ANSYS對(duì)軌道踏面的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).采用Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論方法[14]，結(jié)合荷載-應(yīng)力序列歷程、S-N曲線(如圖21所示)和PLC大數(shù)據(jù)分析，得到軌道踏面的疲勞壽命.

根據(jù)Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論(Miner理論)，得出構(gòu)件損傷因子.Miner理論由數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式(2)：

(2)

式中：k為應(yīng)力級(jí)別的數(shù)目；ni為第i級(jí)應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)；Ni為施加第i級(jí)應(yīng)力時(shí)材料達(dá)到破壞的總循環(huán)次數(shù).

在變幅荷載下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷為D，見公式(3)：

(3)

軌道踏面結(jié)構(gòu)的材料為Q235鋼，用最小二乘法可擬合出Q235鋼的S-N曲線表達(dá)式為公式(4)：

lgN=a+blgσ，

(4)

式中：σ為循環(huán)應(yīng)力的數(shù)值，單位Pa；a，b為與材料有關(guān)的系數(shù).

通過ADAMS_Patran_Nastran_Fatigue模塊和ANSYS nCode Designlife模塊分別預(yù)測(cè)軌道踏面的疲勞壽命[15-17].對(duì)比兩者壽命結(jié)果，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性.最后，通過PLC大數(shù)據(jù)庫獲得軌道踏面剩余疲勞壽命.其流程圖如圖22～圖23所示.

圖21 S-N曲線Fig.21 S-N curve

圖22 應(yīng)力驗(yàn)證流程圖Fig.22 Stress verification flowchart

圖23 計(jì)算疲勞壽命流程圖Fig.23 Flowchart for calculating fatigue life

根據(jù)ADAMS仿真得到的時(shí)間-應(yīng)力對(duì)應(yīng)表，采用ADAMS聯(lián)合Patran_Nastran_Fatigue模塊對(duì)軌道踏面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算；根據(jù)ANSYS仿真得到的應(yīng)力-時(shí)間對(duì)應(yīng)表，采用nCode DesignLife模塊對(duì)軌道踏面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算.計(jì)算疲勞壽命結(jié)果如圖24所示.

表5 ADAMS與ANSYS計(jì)算軌道踏面的壽命相對(duì)誤差表

由表5可知，ADAMS和ANSYS計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差基本維持在5%以內(nèi)，兩種結(jié)果可以判別為在合理的誤差范圍內(nèi).由于ADAMS與ANSYS兩種軟件本身的構(gòu)架區(qū)別，模擬時(shí)個(gè)別參數(shù)設(shè)置存在略微區(qū)別.因此，兩個(gè)軟件的模擬結(jié)果會(huì)出現(xiàn)相對(duì)誤差.參考孫亞平[18]、渠曉剛等[19]、蘇芳[20]對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行分析的結(jié)果，主梁軌道壽命保持在500萬次以內(nèi).根據(jù)圖24所示，本文以ADAMS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的疲勞壽命結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，可知軌道踏面壽命小于500萬次.因此，本文計(jì)算結(jié)果合理.

圖24 疲勞壽命和損傷結(jié)果圖Fig.24 Fatigue life and damage results graph

根據(jù)PLC大數(shù)據(jù)，獲得軌道吊的軌道踏面已經(jīng)工作的時(shí)間次數(shù)為1.460E+06次，結(jié)合ADAMS和ANSYS計(jì)算的結(jié)果，從而得出軌道踏面剩余疲勞壽命，如圖25所示.

圖25 剩余疲勞壽命與結(jié)果圖Fig.25 Remaining fatigue life and results plot

4 結(jié)論

本文以廣州港某軌道吊的軌道踏面為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、ADAMS軟件和ANSYS軟件對(duì)6種工況下軌道踏面進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算，獲得了6種工況下軌道踏面的應(yīng)力以及疲勞壽命，結(jié)合PLC大數(shù)據(jù)庫獲得了軌道踏面的剩余疲勞壽命.

1)對(duì)比實(shí)測(cè)、ADAMS和ANSYS的應(yīng)力，三者的相對(duì)誤差保持在5%左右.該計(jì)算過程證明了軟件計(jì)算軌道踏面疲勞壽命的準(zhǔn)確性.

2)根據(jù)3種方式對(duì)軌道踏面的應(yīng)力計(jì)算，在不同工況下軌道踏面最不利位置皆為1號(hào)測(cè)點(diǎn).

3)以1號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力點(diǎn)作為疲勞校核點(diǎn)，得到軌道踏面的疲勞壽命在500萬次內(nèi)；結(jié)合PLC大數(shù)據(jù)分析，獲得軌道踏面的剩余疲勞壽命.

4)本文將軌道踏面多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析與軌道踏面疲勞壽命預(yù)估相結(jié)合，可為軌道吊的小車軌道踏面壽命預(yù)估提供參考.