基于熱點應力法的新型插板接頭疲勞壽命評估*

李義明 聶飛龍

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

插板接頭是岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)上一種常見接頭，它用于弦桿與其他結構之間的連接。由于插板與弦桿之間顯著的壁厚差別，會導致接頭受力時在管板連接處尤其是插板末端的弦桿上出現嚴重的應力集中。為此，通常在插板頭部設置應力釋放孔以減輕應力集中。為滿足封閉弦桿內腔的需要，常規的插板接頭采用一塊長條形封板覆蓋主弦桿上的應力釋放孔后與弦桿、插板焊接為一體[1](見圖1)。然而蓋板由于緊貼弦桿表面并與插板連接，在弦桿軸向方向柔度較差，加之與插板末端的幾何突變引起的應力集中，使得其在使用中容易發生開裂。

1.插板 2.弦桿 3.蓋板

針對上述問題，對傳統插板接頭進行了改進：①在蓋板與插板連接處設置應力釋放孔；②在蓋板上焊接1個密封蓋起到氣密的作用[2](見圖2)。基于熱點應力法對某型岸橋梯形架拉桿上使用的這款新型插板接頭進行疲勞性能的評估。

1.插板 2.弦桿 3.蓋板 4.密封蓋

2 基于熱點應力法的疲勞壽命評估方法

2.1 方法概述

關于結構的疲勞壽命評估方法，主流的有：基于名義應力的疲勞壽命評估方法；基于熱點應力的疲勞壽命評估方法；基于結構應力的疲勞壽命評估方法；基于斷裂力學的裂紋擴展分析方法。

上述方法中，目前各國的起重機設計規范中使用較多的是基于名義應力的疲勞壽命評估方法，如歐洲起重機設計規范F.E.M.[3]、德國起重機設計標準DIN15018[4]、英國起重機設計規范EN13001[5]、我國的起重機設計規范GB3811-2008[6]。另外英國橋梁結構設計標準BS5400[7]中的疲勞評估也是基于名義應力法。

基于熱點應力的疲勞壽命評估方法是較新的一種評估方法。該方法通過插值法計算焊趾處的結構應力(除去由焊趾缺口效應引起的非線性應力成分)進行疲勞評估，由于考慮了接頭幾何外形對熱點處應力的影響，因而可以用較少的疲勞等級涵蓋更多的接頭類型，且有效避免焊趾處由幾何缺口引起的應力奇異問題。

基于結構應力的疲勞壽命評估方法由Dong Pingsha[8]發明。該方法利用距離焊趾一定距離處的截面上的力與焊趾所在截面之間力的平衡關系求解焊趾處的結構應力，同樣有效避開幾何缺口引起的應力奇異問題。另外，由于該方法基于相鄰截面之間力的平衡原理，因而具有對網格不敏感的優點，該方法已被收錄到ASME Ⅷ中[9]。

由于插板接頭形式特殊，在規范中未見到該類接頭基于名義應力法進行疲勞壽命評估的S-N曲線，因此采用熱點應力法進行疲勞壽命評估。基于熱點應力的疲勞評估方法，首先需要得到觀察點的熱點應力，然后基于熱點應力的波動量，利用載荷譜與熱點應力對應的S-N曲線進行疲勞壽命評估。

2.2 熱點應力對應的疲勞等級

BS7608[10]中給出了基于熱點應力法的疲勞評估中焊接接頭對應的疲勞等級為D，母材的疲勞等級為B。基于熱點應力與循環次數，以及疲勞等級，便可算出熱點處的疲勞損傷。

2.3 熱點應力的計算

關于熱點應力，API[11]定義為結構不連續處的應力；挪威船級社(DNV)[12]定義為在結構應力波動和焊縫幾何或類似缺口的組合效應下，裂紋萌生位置的結構應力。對于插板節點而言，熱點應力即為焊趾處應力。在有限元計算或應力測量中，可通過國際焊接學會(IIW)[13]所建議的距離焊趾0.4t，1.0t(t為母板厚度)的插值點處的應力σ0.4t，σ1.0t線性插值得到焊趾處應力σHS(見圖3)。插值公式為：

圖3 熱點應力插值計算

σHS=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

關于熱點應力方向，IIW規定為最大主應力方向(當與焊趾的法線夾角在60°以內時)或者垂直于焊趾方向的應力(當最大主應力與焊趾的夾角大于60°時)；DNV則規定熱點處最大主應力作為熱點應力。API、CIDECT[14]建議以垂直于焊趾的方向作為熱點應力的方向。本方案采用垂直于焊趾方向作為熱點應力方向，垂直于焊趾方向應力的計算如下：

2(τxyl1m1+τyzm1n1+τzxn1l1)

(2)

式中，σx、σy、σz、τxy、τyz，τzx是應力分量；l1、m1、n1是垂直于焊趾的方向與x、y、z軸的方向余弦。

為便于分項載荷的組合，在使用熱點應力法時需引入應力集中系數的概念。應力集中系數SCF，是熱點應力σHS與名義應力σn的比值：

SCF=σHS/σn

(3)

對于軸向力、彎矩作用下的應力集中系數，分別用腳標F、M區分，分別記為SCFF、SCFM。這2種載荷工況下名義應力分別按式(4)和式(5)計算，其中A、W分別是弦桿的橫截面積和抗彎截面模量。需要說明的是，截面的彎矩包含2個方向，因此需要分別計算2個方向的彎矩對應的應力集中系數并進行疊加。插板接頭由于在Y軸方向的彎矩很小，因而予以忽略，僅考慮沿Z軸方向的彎矩。

(4)

(5)

3 插板接頭熱點應力計算

3.1 單元選擇

對于焊縫的模擬，使用三維二次實體單元比使用殼單元得到的結果更為精確[15]，規范IIW建議熱點應力計算中采用20節點三維實體單元。本模型采用ANSYS中的20節點三維實體單元Solid95，為提高精度，焊縫按照施工圖紙尺寸在有限元模型中創建。

3.2 網格設置

關于節點處網格的尺寸，采用0.2t×0.2t大小，該尺寸插值點的應力結果已收斂。同時，該尺寸下單元節點正好落在距離焊趾0.4t/1.0t位置，便于應力的提取。

3.3 載荷情況

對于插板端部截面，約束節點6個方向的自由度以模擬岸橋結構對于插板的約束作用。由于對稱性，僅建立一半的模型用于計算。通過受力分析發現，考慮到接頭主要受軸向力和XY面內的彎矩(見圖4)，因此僅對這2個載荷下的應力集中系數進行計算。分別用up、down表示觀察點所在接頭上的位置。

圖4 插板接頭有限元模型

3.4 應力集中系數

對插板接頭上應力較大的3個位置A、B、C(見圖5)的應力集中系數進行計算。對于下文觀察點的命名中，分別用腳標chord、plate表示弦桿和封板，例如，A-chord表示A位置處弦桿上的點；A-plate表示A位置處封板上的點。需要注意的是，觀察點A、B為焊縫附近的區域，因此采用式(1)進行熱點應力的插值計算；觀察點C點由于是母材，且無形狀突變，因此C點應力無需插值計算，直接提取應力即可。

圖5 新型插板接頭上的觀察點

對常規插板接頭上應力較大的4個位置A、B、C、E(見圖6)的應力集中系數進行計算。E點為常規插板接頭獨有的觀察點，位于插板與蓋板連接處，最易發生疲勞破壞。

圖6 常規插板接頭的觀察點

兩種接頭疲勞觀察點的區別如下：相比于常規插板接頭，新型插板接頭由于蓋板上設置了應力釋放孔而消除了E點，但引入了點C-plate。另外，新型插板接頭由于密封蓋引入觀察點A-plate。

計算出起重機在不同吊載與不同小車位置時的熱點應力HSS(見式6)，對于某一個工作循環中，熱點應力的波動量ΔHSS同樣可以求出。

(6)

4 載荷譜的獲取

為獲得岸橋全生命周期的載荷譜，利用某服役岸橋投入使用以來近5年的載荷譜同比放大，近似估計整個設計壽命(200萬次循環)的載荷譜(見表1)。表中，BR表示岸橋陸側后伸裝卸位置，PT表示停機位置(見圖7)。

1.插板節點 2.拉桿

表1 某型岸橋200萬次循環下的載荷譜

5 疲勞壽命評估

參照表1中的載荷譜，首先，在整機岸橋模型中計算得到各工作循環內的軸力波動量、彎矩波動量。然后，根據對應的應力集中系數值，相乘可以得出熱點應力的波動。最后，利用Minor’s損傷理論即可算出損傷量，結果見表2。

表2 某型岸橋插板接頭200萬循環下的疲勞損傷

在200萬次工作循環下，常規插板接頭的點E-plate-up疲勞損傷為129%，損傷值大于1表示疲勞強度已不滿足200萬次工作循環的要求。疲勞損傷較高的觀察點為E-plate-down(疲勞損傷57%)和B-chord-up(疲勞損傷37.7%)。新型插板接頭則由于蓋板上的應力釋放孔而消除了E點，最大疲勞損傷點C-chord-up疲勞損傷僅為24.6%。

可見，新型插板接頭的疲勞強度(最大疲勞損傷24.6%)顯著高于常規插板接頭(最大疲勞損傷129%)，前者疲勞壽命是后者的5.2倍(129/24.6=5.2)。

6 結語

運用熱點應力法對某型岸橋拉桿插板接頭的疲勞損傷進行了評估，發現改進后的拉桿插板接頭在200萬次循環時的疲勞損傷為24.6%，相比于常規插板接頭(最大損傷量為129%)，新型插板接頭疲勞壽命提高到5.2倍。該新型插板接頭結構設計可為岸橋產品的設計提供參考。