摘要：為提高抓斗卸船機(jī)的作業(yè)效率，增加結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估結(jié)果的可信度，基于斷裂力學(xué)角度，以抓斗卸船機(jī)為例，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法的設(shè)計(jì)研究。引進(jìn)FEA技術(shù)，建立抓斗卸船機(jī)本體鋼結(jié)構(gòu)模型，確定抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞點(diǎn)；采用獲取鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值的方式，采集鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，進(jìn)行機(jī)械作業(yè)中主要受力的集中分析；根據(jù)循環(huán)載荷下應(yīng)力的最大、最小值，確定應(yīng)力范圍；結(jié)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)，計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展速率與壽命。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，控制評(píng)估結(jié)果誤差在±0.1 a范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：抓斗卸船機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)；斷裂力學(xué)；應(yīng)力值；疲勞壽命；評(píng)估方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.017

0" " 引言

抓斗卸船機(jī)作為港口裝卸作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期、反復(fù)承受交變載荷作用的工況下，易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致設(shè)備失效甚至引發(fā)事故。因此，對(duì)抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，對(duì)于預(yù)防設(shè)備故障、提高運(yùn)行安全性具有重要意義。

石越峰等人[1]通過(guò)分析不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)材料性能的影響，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)和可靠性理論，預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)收集的難度和成本較高。同時(shí)，模型中的參數(shù)設(shè)定和計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能要求較高。

此外，由于實(shí)際工程環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，模型的預(yù)測(cè)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(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了實(shí)際波紋管的有限元模型，并通過(guò)三維仿真分析獲取了波紋管在高內(nèi)壓和不同擺動(dòng)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(diǎn)，利用經(jīng)過(guò)平均應(yīng)力應(yīng)變修正的Manson-Coffin公式對(duì)波紋管的循環(huán)壽命進(jìn)行了估算和對(duì)比分析。

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

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將基于斷裂力學(xué)，以抓斗卸船機(jī)為例，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法的設(shè)計(jì)研究。

1" " 基于斷裂力學(xué)的抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞點(diǎn)確定

為滿足鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估需求，基于斷裂力學(xué)，進(jìn)行抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞點(diǎn)的確定。在此過(guò)程中，引進(jìn)FEA技術(shù)，建立抓斗卸船機(jī)本體鋼結(jié)構(gòu)模型，將結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)獨(dú)立單元，通過(guò)求解每個(gè)單元的力學(xué)響應(yīng)，得出整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)分布[3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程的定量化，利用斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子、斷裂韌性等參數(shù)，分析機(jī)械作業(yè)中的主要受力點(diǎn)，確定裂紋最可能萌生的區(qū)域，即鋼結(jié)構(gòu)的疲勞點(diǎn)。

在斷裂力學(xué)中，應(yīng)力強(qiáng)度因子主要描述裂紋尖端附近的應(yīng)力狀態(tài)[4]。對(duì)于二維裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度可以通過(guò)下述公式計(jì)算得到：

K=σf（a/W）" " " " " " " " " " " "（1）

式中：K表示應(yīng)力強(qiáng)度；σ表示材料強(qiáng)度系數(shù)；a表示遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力；f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(jì)算本體結(jié)構(gòu)模型中獨(dú)立單元應(yīng)力強(qiáng)度因子的作用范圍，此過(guò)程計(jì)算公式如下：

d=C（K·Δb）2" " " " " " " " " " " " （2）

式中：d表示強(qiáng)度因子的作用范圍；C表示材料斷裂韌性；Δb表示應(yīng)力水平均值。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度，進(jìn)行材料抵抗裂紋擴(kuò)展力的計(jì)算[5]。計(jì)算公式如下：

m=" " " " " " " " " " " "（3）

式中：m表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展力；α表示臨界應(yīng)力強(qiáng)度；S表示動(dòng)載應(yīng)力。

如計(jì)算結(jié)果m大于等于本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則定位此結(jié)構(gòu)在模型中對(duì)應(yīng)的單元，將此單元映射的區(qū)域作為抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞點(diǎn)。

2" " 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值采集

抓斗卸船機(jī)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(yīng)力值的方式，進(jìn)行機(jī)械作業(yè)中主要受力的集中分析[6]。在此過(guò)程中，采用有限元分析的方式，構(gòu)建抓斗卸船機(jī)的三維模型，賦值材料屬性和邊界條件，針對(duì)滿載、空載、不同角度作業(yè)等工況，設(shè)置相應(yīng)的載荷和約束。運(yùn)行FEA，對(duì)抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力分析，確定在不同工況下的應(yīng)力分布[7]。根據(jù)結(jié)構(gòu)作業(yè)方式，按照下述公式，計(jì)算抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力（壓應(yīng)力）。

F1=A/R2·m" " " " " " " " " "（4）

式中：F1表示抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力（壓應(yīng)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的計(jì)算，公式如下：

F2=" " " " " " " " " " " （5）

式中：F2表示結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力；B表示剪力。

對(duì)于抓斗卸船機(jī)中的細(xì)部結(jié)構(gòu)，可以采用將靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行疊加的方式，得到完整的疲勞應(yīng)力數(shù)據(jù)[8]，輸出每個(gè)作用力點(diǎn)的總應(yīng)力值。計(jì)算公式如下：

F=F1+F2" " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：F表示作用力點(diǎn)的總應(yīng)力值。

按照上述方式，完成鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值的采集。

3" " 疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算與壽命評(píng)估

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

δ=" " " " " " " " " " "（7）

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

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

β=Z·

2·δ" " " " " " " " " " " （8）

式中：β表示裂紋擴(kuò)展速率；Z表示材料的疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)；χ表示應(yīng)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(zhǎng)度、裂紋擴(kuò)展到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的長(zhǎng)度，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界裂紋長(zhǎng)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(píng)估結(jié)果。此過(guò)程計(jì)算公式如下：

η=

（9）

式中：η表示鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界裂紋長(zhǎng)度所需的循環(huán)次數(shù)；φ表示裂紋擴(kuò)展到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的長(zhǎng)度。

按照上述方式，完成疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算與壽命評(píng)估。

4" " 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

完成上述評(píng)估方法的設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法評(píng)估結(jié)果可靠性的鑒定，選擇某運(yùn)輸單位作為試點(diǎn)，此單位使用抓斗卸船機(jī)作為關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)抓斗抓取物料并將其卸載到指定位置，進(jìn)行船舶貨物的裝卸。

為進(jìn)一步提高港口的裝卸能力和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)船舶貨物的快速裝卸，需定期進(jìn)行設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，對(duì)選用的抓斗卸船機(jī)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

截至目前，此抓斗卸船機(jī)已投入使用約4年，為確保其在長(zhǎng)期作業(yè)中保持穩(wěn)定的性能，防止因疲勞破壞導(dǎo)致的安全事故，有必要采取一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。通過(guò)科學(xué)的評(píng)估方法，可以預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷程度，從而確保抓斗卸船機(jī)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，提高港口的裝卸效率和作業(yè)安全性。評(píng)估前，采集此抓斗卸船機(jī)近三年到港作業(yè)情況數(shù)據(jù)，如表2所示。

完成上述準(zhǔn)備工作后，布置抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

在已知此設(shè)備作業(yè)參數(shù)與相關(guān)作業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選用ARIMA模型，進(jìn)行抓斗卸船機(jī)鋼結(jié)構(gòu)建模，使用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，在考慮抓斗卸船機(jī)維修系數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、已使用次數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

同時(shí)，引進(jìn)文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法作為對(duì)照，對(duì)測(cè)點(diǎn)1～12的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，將本文方法與對(duì)照方法的評(píng)估結(jié)果與模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)此種方式檢驗(yàn)提出的方法評(píng)估效果，如表3所示。

從表3所示的結(jié)果可知，應(yīng)用本文方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估，評(píng)估結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差在±0.1 a范圍內(nèi)，而應(yīng)用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果與模型預(yù)測(cè)的結(jié)果誤差較大，無(wú)法將其作為檢驗(yàn)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(shè)計(jì)的基于斷裂力學(xué)的評(píng)估方法應(yīng)用效果良好，該方法可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，為抓斗卸船機(jī)的規(guī)范化應(yīng)用提供科學(xué)決策依據(jù)，進(jìn)一步輔助技術(shù)人員對(duì)此機(jī)械設(shè)備的運(yùn)維與管理，解決由鋼結(jié)構(gòu)過(guò)度疲勞造成的機(jī)械故障等問(wèn)題。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

抓斗卸船機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其鋼結(jié)構(gòu)會(huì)受到多種動(dòng)態(tài)或循環(huán)性活動(dòng)載荷的作用，如吊車(chē)活動(dòng)載荷、海浪沖擊等。載荷會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞損傷，進(jìn)而影響設(shè)備的整體性能和安全性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%～90%的機(jī)器斷裂都是由金屬疲勞造成的，在長(zhǎng)期重復(fù)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷的定量分析，本文基于斷裂力學(xué)，以抓斗卸船機(jī)為例，通過(guò)疲勞點(diǎn)確定、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值采集、疲勞裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算與壽命評(píng)估，開(kāi)展了鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法的設(shè)計(jì)研究，旨在通過(guò)此次設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)抓斗卸船機(jī)的疲勞壽命，為設(shè)備的運(yùn)行管理、維修保養(yǎng)和改造升級(jí)提供科學(xué)依據(jù)；同時(shí)促進(jìn)斷裂力學(xué)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

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收稿日期：2024-06-26

作者簡(jiǎn)介：區(qū)冠華（1973—），男，廣東新興人，港口機(jī)械工程師，主任工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)備管理。