基于FE-SAFE的造船門式起重機結構剩余壽命預測方法研究

夏常福

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210019）

大型造船門式起重機一般工作級別較高，交變載荷作用下易發生疲勞損傷，損傷累積將可能導致主要受力結構件失效，進而引發安全事故。目前，住建部行業標準JGJ/T189-2009《建筑起重機械安全評估規程》中對塔式起重機，施工升降機和井架式升降機的報廢標準和使用年限作過規定，而其他類型起重機械的報廢尚未有國家標準或行業標準作出規定。而由于起重機的實際使用載荷狀態各不相同，壽命存在較大的分散度，單純從年限上確定起重機的報廢標準亦不合理。因此，對大型造船門式起重機的工作壽命進行適時監測與動態管理、準確并及時對其剩余壽命作出預測對于保證其安全運行、提高經濟效益有重大意義。

本文以一臺300t造船門式起重機為研究對象，首先以疲勞損傷理論估算起重機結構的疲勞壽命，再由FE-SAFE疲勞分析軟件分析疲勞壽命，以實例驗證了FE-SAFE仿真方法的可行性。

1 疲勞損傷理論分析估算方法

起重機總的壽命周期是指從起重機投入使用到報廢為止的整個時間。因其大多工作在循環往復交變載荷下，鋼結構的失效形式以疲勞失效為主，首先產生裂紋并擴展，最終導致突然斷裂破壞。目前對于金屬結構的疲勞壽命主要方式是考察其在一定的載荷下能夠達到的循環次數，通過循環次數大小對金屬結構的壽命特性實現定量評價。可實測起重機一段作業時間內的應力（應變）歷程數據，編制載荷譜，再由斷裂力學理論估算壽命。壽命估算時，通常將載荷譜對構件作一次全譜循環作為一個循環周期，進而考察構件發生破壞時該載荷譜一共作用了多少個周期循環。假設循環次數為N次，可定量描述起重機金屬結構剩余壽命。

2 典型工況下的造船門式起重機疲勞壽命估算

本文選取的研究對象300t造船門式起重機，是一種造船廠內常用的用于實現工件翻轉、吊運等要求的起重機。其金屬結構主要有主梁、剛性支腿和柔性支腿組成，在柔性支腿與主梁之間采用球型鉸連接。上小車和下小車雙小車作業，上小車的軌道在主梁外側，下小車的軌道在主梁的內側，下小車可從上小車下通過。該起重機材料為Q345鋼，抗拉強度，根據作業工況多為承受交變載荷。

估算剩余壽命時選取兩小車在跨中起吊300噸工況時的不利作業工況。此時主梁下翼緣板跨中位置是受拉彎矩危險截面，此處通過光纖光柵傳感器測試兩小車起吊300t額定載重量時的應變，將實測應變時間歷程數據乘以彈性模量，即可得結構相應的應力時間歷程數據（圖1）。由此測試結果利用雨流計數法編制的載荷譜（圖2），當量載荷譜見表1。

由Miner理論計算所得載荷譜作用一次造成的總損傷為：

式中，為臨界損傷總值，為第i級應力水平的循環數，為第級應力水平疲勞壽命，i為應力級數。

則在該工況下可運行的總循環壽命次數為：

3 基于FE-SAFE的結構疲勞壽命估算

圖1 應力時間歷程

圖2 三維載荷譜

表1 兩小車起吊300噸工況當量載荷譜

FE-SAFE軟件可使用基于有限元分析和實測的應力應變數據進行疲勞分析。疲勞估算之前需定義其材料的屬性，確定結構材料的S-N曲線。首先需定義Q345鋼的疲勞特性曲線。將Q345鋼的材料參數強度極限輸入后，可得Q345鋼的S-N曲線，再對其進行修正即可獲得最終計算用S-N曲線。

本文在計算過程中，設定結構的表面粗糙度為FineMachined-4

此臺造船龍門起重機主要用于實現船體拼裝和翻轉，它的典型工況即上下小車共同抬吊分段制造好的總重約300噸的船體。此處只對該典型工況下的疲勞壽命進行分析研究。該起重機的一個工作循環是：吊鉤下降—載重起升—小車或大車移動—載重下降—吊鉤起升—大車或小車移動—吊鉤下降。為了方便分析，提高軟件計算效率，不考慮結構應力隨小車位置發生的變化，將實際載荷譜簡化為單位載荷形式。

仿真所得起重機金屬結構疲勞壽命云圖與安全系數云圖如圖3所示。

圖3 仿真疲勞分析計算云圖

由疲勞壽命云圖可以看出，在上下小車位于跨中起吊300噸載荷作用下，起重機結構疲勞壽命最薄弱部位發生在主梁與柔性支腿連接處，即橡膠支座壽命最低，應對該部位進行重點檢測。此外，整個起重機結構壽命相對薄弱區域主要出現在主梁跨中位置、柔性支腿與主梁連接處以及柔性支腿劈叉處?？梢钥闯鲋髁合律w板安全系數要比上蓋板小，這是由于下蓋板受拉變形程度較大所致。

不同方法估算所得起重機最低疲勞壽命對比見表2，仿真與理論算法結果誤差在5%以內，驗證了仿真方法的可行性與科學性，可作為工程應用的計算參考。

表2 疲勞損傷理論與FE-SAFE估算結果對比

4 結語

FE-SAFE軟件可應用于橋架型起重機結構的疲勞壽命估算，參數設置較為方便，計算獲得的疲勞壽命云圖和安全系數云圖，可直觀顯示起重機結構疲勞壽命分布定位，為進一步校核強度薄弱部位提供引導。仿真結果與經典疲勞損傷理論估算對比表明，仿真方法具有一定的可靠性，可作為安全評價參考依據。