探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的進展

吳亢

摘要：起重機在使用的過程中，由于受到各種因素的影響，起重機的疲勞度將會受到嚴重的破壞，這嚴重地影響著起重機的安全使用，本文對起重機的疲勞斷裂進行了分析，總結了當前發展的狀況。

關鍵詞 起重機械；疲勞；可靠性

1.引言

起重機械已經成為工業生產中不可缺少的重要運輸設備，被廣泛的應用于各種物料的運輸作業中，從而極大減輕了體力勞動強度，提高了勞動生產率，起重機的吊運物是多種多樣的，載荷是變化的，其作業環境非常復雜[1]，在使用壽命內的總應力循環次數在數百萬次甚至千萬次以上，實踐證明，鋼材在連續重復的變化載荷的作用下，起重機械的疲勞極限是不可能超過強度極限，甚至低于屈服強度，也有可能發生破壞，因此，起重機械的主要受力結構件中，應力集中程度較高的部位的疲勞強度將會受到破壞，這將導致在起重機械的使用過程中存在疲勞失效的危險。

2.起重機械的疲勞斷裂

起重機械的金屬結構是起重機的重要組成部分，承受著起重機的各種載荷和自重，且金屬結構通常是在循環載荷或隨機載荷作用下工作，起重機械的各種部件中，最常見的破壞形式就是疲勞斷裂。疲勞的破壞機理，簡而言之為在連續反復載荷作用下，首先出現微觀裂紋，然后在交變載荷的作用下出現裂縫，裂縫不斷擴展，直到突然破壞或脆性斷裂。

疲勞只有在交變載荷的作用下才會發生。在交變載荷的反復作用下，某些點處首先被破壞，長時間的使用后，形成宏觀裂縫，裂縫不斷的擴展，直到臨界狀態而發生完全斷裂。起重機械在發生疲勞斷裂的過程中經歷了3個階段，即裂紋的產生、裂紋的擴展和斷裂階段。裂紋失穩斷裂階段裂紋的擴展比較快，對壽命的影響相對而言較小，可以忽略掉，因此疲勞裂紋總壽命包括裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命兩部分[2]。

疲勞斷裂的危害是非常大的，與靜力所造成的破壞有著極大的不同。疲勞斷裂破壞的發生通常比較突然，而且應力相對較小，所以疲勞斷裂破壞一旦發生將會造成重大事故，尤其是已經服役多年的起重機械。因此，對起重機械疲勞斷裂可靠性的分析，對疲勞壽命的評估是非常必要的，這對起重機械的安全使用具有非常重要的意義。

3.起重機械疲勞斷裂可靠性分析的發展現狀

起重機械的疲勞斷裂，是損傷長期積累的結果，一般在發生疲勞斷裂之前，并不會有明顯的變形，很難發現損傷的存在，因此疲勞斷裂的發生具有突然性，其后果通常也將是災難性的。

隨著我國經濟的快速發展，起重機械的應用也十分廣泛，但是所發生的事故率也在不斷的上升。而由于起重機械疲勞斷裂所引起的事故已經占全部工業事故的13%左右。由此可見，研究起重機械的疲勞斷裂可靠性，估算出在用起重機械的疲勞壽命，對防止起重機械疲勞斷裂事故的發生起著積極地作用[3]。

疲勞的研究最早是在19世紀初開始于德國，經過幾代人的不斷努力，發展至今，疲勞壽命評估已經廣泛應用到現代工業生產的各個領域中。1961年Paris公式的提出，成為了估算裂紋擴展壽命的有力工具，其后斷裂力學快速發展，尤其以線彈性斷裂力學發展較為成熟，為研究疲勞斷裂可靠性提供了理論基礎。

相對于國外，我國對疲勞的研究起步比較晚，開始于20世紀50年代，而且由于基礎較差而發展較慢，研究水平相對落后。1978年疲勞會議的召開極大的推動了疲勞理論的快速發展。

當前用于疲勞壽命評估的計算方法主要包括名義應力法、斷裂力學法、局部應力應變法和計算機仿真分析法。

名義應力法是以金屬的S-N曲線為理論基礎，最早應用于航空、起重機械、橋梁等行業。該方法計算簡單，發展成熟，有可借鑒經驗和數據，但是這種方法忽略了缺陷根部塑性變形和加載順序的影響，存在一定的經驗性和隨意性，估算結果誤差太大。

斷裂力學法解決了名義應力法的缺陷，以斷裂力學為基礎對裂紋擴展進行評估。該方法可描述裂紋發展的過程，從理論上而言，比常規方法更加合理，但是存在經驗性數據不精確的缺點，而且因為實際應力復雜、裂紋難以判定等因素使得計算誤差比較大。

局部應力應變法是當前最有效的壽命評估方法，當前已經應用到航空、焊接結構、起重機械等的疲勞壽命評估中。但是局部應力應變法不適用于高強度疲勞計算，材料參數的離散和計算公式的經驗性使得計算精度變差。

近幾年來，國內外研究者一直在努力尋求更加準確的概率可靠性分析方法，并把一些新的理論和新的方法引入到起重機械疲勞斷裂可靠性分析中，為起重機械的疲勞斷裂應用提供了許多新的估算方法，從而逐步發展成了隨機有限元、基于神經網絡的可靠性模型等 [4]。

隨機有限元法是近20多年才發展起來的一種工程數值計算方法，由于該方法把隨機參數的影響考慮在內，被廣泛應用于計算金屬結構的可靠度、動力問題、非線性問題及復合材料力學等。隨著起重機械疲勞斷裂理論的不斷發展，該方法也被逐步的應用于起重機械的疲勞斷裂可靠性分析方面。因為起重機械的工作環境復雜，受到許多不確定因素的影響，局部應力應變相應也是隨機的，隨機有限元法是隨機結構分析最有力的工具。

在疲勞斷裂可靠性進行分析的過程中，工程實際問題已經很難利用顯式極限狀態方程失效概率獲得解決，為此疲勞斷裂可靠性分析研究者發展了響應面法，雖然對隱式極限狀態方程的設計點有一定的逼近能力，但是其固定不可調的函數形式影響了其普遍適用性。研究者開始利用神經網絡對函數近似的普遍適應性，用神經網絡函數近似代替固定函數形式的傳統響應面法，從而提高了解決非線性隱式極限狀態方程疲勞斷裂可靠性分析問題的能力。神經網絡響應面法不僅思路簡單，易于編程，而且計算精度有較大幅度提高。

因此，可以說神經網絡響應面法是隱式極限狀態方程疲勞可靠性分析的很好的方法。

4.總結

本文對當前常用的疲勞壽命評估的方法進行了分析，總結了各種方法的優缺點，并對當前起重機械疲勞斷裂可靠性分析的發展情況做了研究，為疲勞斷裂可靠性的分析指明了方向，從而減少了起重機械事故的發生。

參考文獻：

[1]王福綿.起重機械技術檢驗[M].北京：學苑出版社，2000.12

[2]張新峰.起重機桁架臂疲勞全壽命評估與分析[D].大連，2013.6

[3]陳衛國.試論起重機械疲勞斷裂可靠性的新進展[J].石家莊：科技風，2012.11.15

[4]鄭嚴，程文明，程躍.起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展[J].北京：起重運輸機械，2009（10）