基于線性累積損傷的金屬結構全場疲勞分析技術*

何山 鄧賢遠 江愛華 黃國健

（廣州特種機電設備檢測研究院）

基于線性累積損傷的金屬結構全場疲勞分析技術*

何山 鄧賢遠 江愛華 黃國健

（廣州特種機電設備檢測研究院）

基于線性累積損傷理論，針對起重機金屬結構特點，提出一種可計算全場疲勞并以云圖方式顯示的技術方法，以ANSYS有限元軟件為基礎，利用APDL與VC++結合，自動控制其求解過程。解決長期以來疲勞校驗只能針對結構某個局部而不能整體分析的問題。

線性累積損傷；金屬結構；疲勞

0 引言

金屬結構的疲勞分析理論基礎豐富，如米勒損傷準則、連續累積損傷、高周疲勞損傷等[1]，廣泛應用于起重機金屬結構的設計。理論計算分析具有較高的精度，但實際應用中因計算過程復雜，導致經常只能對結構某一局部進行疲勞分析[2-4]，并以此結果作為整個結構部件的疲勞分析結果，其邏輯并不嚴密。設計一種具有較高通用性且能保證計算精度的結構全場疲勞分析方法，顯得十分重要。本文基于Miner線性累積損傷理論，利用有限元軟件ANSYS的二次開發語言APDL與VC++結合，提出一種適應范圍廣、求解精度高的金屬結構全場疲勞分析計算方法。

1 Miner線性累積損傷理論

Miner線性累積損傷理論廣泛應用于結構件的疲勞耐久分析與試驗，其認為構件受到的損傷與其承受的恒幅交變應力成線性關系。根據英國道路橋梁標準BS5400，Miner法則如下：

其中：n為設計使用壽命，即設計使用期內結構計算點上的應力循環次數；m、k、σ為當N=107時，

20對應于不同焊接形式的實驗數據，BS5400將焊接結構詳細分為9個類別，起重機結構件以連續角焊縫為主，屬于D類，其值如表1所示；σr為起重機結構在一個工作循環過程中的應力幅，即一個應力循環過程中最大應力與最小應力之差。

表1σr-N 關系與常量表

2 全場疲勞分析技術

在保證分析技術的易用性、準確性和應用范圍的前提下，設計如圖1所示技術路線。

圖1 全場疲勞分析技術路線圖

首先，通過三維建模軟件Solidworks、ProE、UG等建立分析對象的幾何模型。考慮到效率與計算精度，選取板單元SHELL63進行有限元分析。板單元劃分網格時，要保證節點共享，同一位置無重復節點，這對于ANSYS軟件而言，實現起來比較困難。Hypermesh是有效的有限元建模前處理軟件，該軟件劃分網格步驟簡單，生成的有限元單元質量較高。然后，將起重機的所有工況及對應的加載節點編號輸入到開發定制的應力軟件中，軟件控制求解過程，并記錄下各工況對應的應力大小，計算相應的應力幅σr。最后，通過式(1)計算所有單元的疲勞情況，修改ANSYS單元表的方式進行疲勞云圖顯示。

3 軟件設計

基于VS2008開發平臺，設計全場疲勞分析軟件，軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

分析計算前，根據金屬結構使用的材料設置相應的參數，包括許用應力基本值、材料的抗拉強度等。其次，配置ANSYS批處理的運行環境，即ANSYS工作空間。再次，選擇需要分析的有限元模型，模型可以不為參數化模型，這樣軟件可以適應所有以SHELL63單元建立的模型。然后，輸入金屬結構的所有工況，每個工況包含受力的節點編號和受力大小方向，這里以APDL語言進行工況添加，工況應盡量具有代表性，以盡可能地接近實際結構承受的變化載荷為準。軟件運算過程中，會提取每一個工況的應力，形成交變應力，來計算疲勞強度值。因此，工況輸入的準確性對計算結果的精度影響較大。最后，軟件開始運算，并將計算結果返回ANSYS內存，生成疲勞云圖。軟件的最大特點是不針對某種特定形式的結構，能適應大部分的結構形式，通用性較強，使用操作方便。

軟件開發過程中部分技術細節，這里做出一些詳細說明：ANSYS提供了二次開發的軟件接口，通過命令行的方式啟動軟件，啟動命令如下：

利用該方法可在計算機后臺進行有限元分析，生成相關結果，無需界面操作，適合自動化分析場合。

4 案例分析

以1臺MD100T雙小車門式起重機作為案例，分析某整機疲勞性能。模型的長度單位為mm，力的單位為N，應力的單位為MPa，位移的單位為mm。疲勞分析考慮結構在3種工況下的應力變化對結構造成的疲勞影響。

工況1：1臺天車跨中起吊100噸重物，另一臺天車停在主梁最左端，同時考慮沿大車軌道方向風載。

工況2：2臺天車間距30 m同時起吊100噸+100噸重物，并考慮沿大車軌道方向風載。

工況3：2臺天車間距30 m同時起吊100噸+100噸重物，載荷偏于柔腿一側，并考慮沿大車軌道方向風載。

門吊結構有限元模型采用板梁結合整體建模，采用SHELL63、BEAM188梁單元進行建模。SHELL63單元適合薄板結構，可承受面載荷，適用于由板材焊接而成的箱型梁結構。BEAM188單元適用于分析細長到中等粗短的梁結構，該單元基于Timoshenko梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。BEAM188是三維線性（2節點）單元，每個節點有6個自由度，即節點坐標系的x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉動。有限元模型如圖3、圖4所示。

經過有限元分析，得到其疲勞云圖如圖5所示，云圖中每一個點的值由式(1)計算得到。圖中疲勞危險點位于主梁跨中，其值為0.35<1，根據Miner法則，疲勞驗算通過。

圖3 整機有限元模型

圖4 板梁結合局部處理有限元模型

圖5 整機疲勞云圖

5 結語

本文提出的基于線性累積損傷的金屬結構全場疲勞分析方法，可適用于采用板單元建模的任何結構，具有一定的工程意義。應用本方法對結構整體進行疲勞驗算，所得結果以云圖方式展現，使得設計者能夠以最直觀的方式了解結構的疲勞性能分布狀況，從而進一步優化結構設計。

[1] 胡健鋒,朱小豐,鐘敏,等.塔式起重機起重臂疲勞損傷壽命實驗研究[J].建筑機械化,2014(1):55-57.

[2] 申志剛,吳志生,劉翠榮,等.橋式起重機主梁疲勞壽命分析[J].起重運輸機械,2011(8):67-69.

[3] 徐格寧,左斌.起重機結構疲勞剩余壽命評估方法研究[J].中國安全科學學報,2007,17(3):126-130.

[4] 蔡福海,王欣,羅建國,等.基于局部應力應變法的起重機桁架臂疲勞裂紋形成壽命影響因素分析[J].建筑機械,2014(3): 79-83.

Metal Structure Fatigue Analysis Technology
Based on the Linear Cumulative Damage

He Shan Deng Xianyuan Jian Aihua Huang Guojian
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

A way to calculate the whole audience fatigue and the cloud display approach is developed to solve the fatigue for crane metal structure characteristics based on linear cumulative damage theory. The specific process is based on ANSYS software by using its APDL with VC ++. The solution process is automatic to solve the linear cumulative damage theory for whole metal structure fatigue analysis and to obtain the structure of audience fatigue cloud.

The Linear Cumulative Damage; Metal Structure; Fatigue

何山，男，1987年生，碩士學位，工程師。主要研究方向：起重機械金屬結構安全性評價技術研究。Email: heshan321@163.com

廣東省質量技術監督局科技項目（2015CT09，2015CT02）