探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新進展

李麗麗

摘要：起重機械在長久運行的過程中，機械疲勞斷裂是不容忽視的一種破壞形式，疲勞斷裂常常會導致零部件和工程構件的功能失效從而引發(fā)嚴重的事故。因為疲勞斷裂在結零部件和工程構件功能失效前不易被察覺發(fā)現的特點，使得起重機械在長久運行中存在很大的安全隱患。本文根據起重機金屬結構的特性，結合起重機械的結構和運行規(guī)律，運用疲勞學理論，對起重機械疲勞斷裂可靠性的分析提出一些新的看法。

關鍵詞：起重機械；疲勞斷裂；可靠性；新進展

引言

起重機械的工作環(huán)境多變且復雜，在其使用期限內要承受數百萬次以上的交變應力的循環(huán)作用。因此，疲勞斷裂往往會成為一種常見的破壞形式。用理論的理想工作環(huán)境進行疲勞分析，能確定零部件和工程構件的使用壽命，而起重機械的復雜工作環(huán)境導致的不確定因素增加，使得理論上的疲勞壽命的準確性大打折扣。因此，需要結合疲勞學可靠性理論，綜合統(tǒng)計和概率進行起重機械斷裂疲勞可靠性分析具有重要的意義。

1.疲勞斷裂理論

材料或結構失效的主要原因與形式包括變形、斷裂、腐蝕，磨損、變性，其中斷裂最為常見，危害性也最大，在很多情況下可能造成災難性事故。在斷裂事故中又以疲勞斷裂為多為害，且多屬性低應力脆性斷裂，易失察失防。

工程中有許多金屬零部件和工程構件，例如傳動軸、滾動軸承、齒輪、彈簧、葉片等都是在變動載荷下工作的。按照不同的變動載荷作用方式，金屬零件承受的應力可分為循環(huán)應力和交變應力兩種。金屬零部件在交變應力作用下，雖然所承受的應力小于材料的抗拉強度甚至小于材料的屈服強度，但經過較長時間的工作后會產生裂紋，甚至會突然發(fā)生完全斷裂，這種現象稱為金屬的疲勞斷裂。引起疲勞斷裂的原因，一般認為是由于零部件的結構形狀設計制造不合理，即在零件中的最薄弱的部位存在轉角、孔、槽、螺紋等形狀的突變而造成過大的應力集中，或者材料本身強度較低的部位，例如原有裂紋、軟點、脫碳、夾雜、刀痕等缺陷處，在交變或循環(huán)應力的反復下產生了疲勞斷裂，并隨著應力的循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最后當減小到不能承受外加載荷的作用時，零件即發(fā)生突然斷裂。

2.起重機械整車結構疲勞的數據樣本采集與載荷譜編制

疲勞載荷包括周期載荷和非周期載荷，在多數情況下，作用在起重機械零部件和工程構件上的載荷是隨變的，基于隨機載荷的不確定性，需要用統(tǒng)計的方法對其進行處理，處理后的載荷-時間-歷程被稱為載荷譜。載荷譜能反映零部件的載荷變化情況，反映真實的工作狀態(tài)。應用疲勞載荷譜，可以提高零部件和工程構件的抗疲勞強度，在零部件壽命預測上也大有幫助。通過在各種工況下的實際測驗，收集起重機械的運行數據樣本，經過統(tǒng)計分析可以獲得起重機械的疲勞載荷譜。在編制疲勞載荷譜的過程中，要合理恰當地處理機械零部件承受的隨機疲勞載荷，遵循遵守損傷等效原則。

運用人工智能進行疲勞載荷譜編制，能完整表達載荷歷程的損傷特性。利用此方法，搜索各個順序效應箱，遵循雨流技術和統(tǒng)計學原則，把循環(huán)逐級插入載荷序列中。處理載荷歷程，需要對載荷循環(huán)進行提取，對載荷歷程的載荷順序效應要有明確表明。要滿足原歷程與載荷循環(huán)的等同性、載荷順序效應的一致性，通常可采用分段處理裝箱的方法。

3.運用隨機有限元法進行隨機結構分析

近二十年來，隨機有限元法逐漸發(fā)展為一種新的工程數值計算方法。它的優(yōu)點在于綜合考慮隨機參數的影響，因此在動力問題、符合材料力學、計算結構件的可靠度和非線性問題等領域得到了廣泛的應用，在機械疲勞斷裂可靠性分析方面也有顯著的作用。起重機工況的復雜多變，使得許多不確定性因素影響起重機械的零部件和工程構件性能，作用在零部件局部的應力應變隨機而變，這些隨機變量恰好符合隨機有限元法的研究范疇。

運用隨機有限元法可以計算金屬結構的可靠度，結合隨機有限元法與可靠性分析可以得到疲勞裂紋擴展的規(guī)律。對疲勞斷裂可靠性的分析，可以基于神經網絡、基于支持向量機、基于混合遺傳算法。神經網絡函數適用于解決隱式極限狀態(tài)方程，具有更高的逼近能力和普遍適應性；使得編程更加容易，同時也提高了計算精度。支持向量機是一種機器學習算法，它基于統(tǒng)計學習理論，小樣本學習能力是它的突出優(yōu)點，適用于結構可靠性分析。起重機械疲勞試驗受限于試驗時間和試驗經費，因而用于疲勞試驗的試件通常較少，而統(tǒng)計學要求大量的試驗樣本數據，故而起重機械小樣本疲勞實驗不能予以滿足。基于支持向量機的疲勞斷裂可靠性分析方法可以解決起重機械小樣本試驗數據問題，它能以較高的精度逼近真實的功能函數，減少隱式功能函數分析的次數，具有較高的工程實用性。混合遺傳算法在起重機疲勞斷裂可靠性分析中已經得到初步運用，它不受目標函數是否連續(xù)、線性、可微調等條件的限制，同時也彌補了遺傳算法的一些不足。混合遺傳算法優(yōu)化結果較好，能減少迭代的次數，提高搜索效率。

4.起重機械疲勞斷裂可靠性分析

起重機械的疲勞斷裂過程為：局部出現高塑性區(qū)、萌生斷斷裂紋、短短裂紋擴散、長短裂紋擴散、零部件和機械構件功能失效。機械結構收外界應變影響，為平衡外載而引起外形的變化。局部應變評價通常用于服役起重機械的強度評估，隨著隨機有限元法在起重機械疲勞斷裂分析領域的廣泛應用，局部應變法得以推廣。

二十世紀六十年代以來，傳統(tǒng)疲勞斷裂可靠性分析一步一步開拓發(fā)展，但是隨著起重機械的快速發(fā)展，傳統(tǒng)疲勞斷裂可靠性分析的方法體現出了越來越嚴重的缺點，漸漸無法滿足起重機械安全性的要求。二十世紀九十年代，應變疲勞法應運而生；應變疲勞法在起初的開拓探索階段尚不成熟，二十一世紀出現的廣義極大似然疲勞試驗法，能以較少的試樣數據獲取概率應變疲勞性能數據，它不同于經典極大似然法，受限于在參考載荷水平之外單試樣和單項冪指數疲勞關系的要求。新的廣義極大似然疲勞試驗法以及隨機應變載荷疲勞可靠性模型的提出，形成了起重機械疲勞斷裂可靠性分析的新方法和新理論。

參考文獻：

[1]陳衛(wèi)國.試論起重機械疲勞斷裂可靠性的心進展.科技風，2012（21）

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

[3]吳亢.探究起重機械疲勞斷裂可靠性分析的進展.中國機械，2014（18）