基于斷裂力學的抓斗卸船機鋼結構疲勞壽命評估方法研究

摘要：為提高抓斗卸船機的作業效率，增加結構壽命評估結果的可信度，基于斷裂力學角度，以抓斗卸船機為例，開展鋼結構疲勞壽命評估方法的設計研究。引進FEA技術，建立抓斗卸船機本體鋼結構模型，確定抓斗卸船機鋼結構疲勞點；采用獲取鋼結構應力值的方式，采集鋼結構應力值，進行機械作業中主要受力的集中分析；根據循環載荷下應力的最大、最小值，確定應力范圍；結合材料的疲勞裂紋擴展參數，計算疲勞裂紋擴展速率與壽命。對比實驗結果證明：該方法可以精準預測鋼結構的疲勞壽命，控制評估結果誤差在±0.1 a范圍內。

關鍵詞：抓斗卸船機；鋼結構；斷裂力學；應力值；疲勞壽命；評估方法

中圖分類號：TP391" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.017

0" " 引言

抓斗卸船機作為港口裝卸作業中的關鍵設備，其鋼結構在長期、反復承受交變載荷作用的工況下，易發生疲勞破壞，導致設備失效甚至引發事故。因此，對抓斗卸船機鋼結構進行疲勞壽命評估，對于預防設備故障、提高運行安全性具有重要意義。

石越峰等人[1]通過分析不同凍融循環次數對材料性能的影響，結合統計學和可靠性理論，預測了防水封閉結構的疲勞壽命。但模型的建立需要大量的實驗數據和現場觀測數據作為支撐，數據收集的難度和成本較高。同時，模型中的參數設定和計算過程較為復雜，對專業知識和技能要求較高。

此外，由于實際工程環境的復雜性和不確定性，模型的預測結果可能存在一定的誤差。張涵等人[2]基于成形仿真和材料拉伸試驗結果，構建了實際波紋管的有限元模型，并通過三維仿真分析獲取了波紋管在高內壓和不同擺動工況下的循環載荷信息。結合波紋管結構的低周疲勞失效特點，利用經過平均應力應變修正的Manson-Coffin公式對波紋管的循環壽命進行了估算和對比分析。

此模型的建立高度依賴于準確的仿真數據和材料參數，可能導致預測結果與實際表現之間存在一定的差異。同時，波紋管在實際工作中的環境復雜多變，模型可能無法完全考慮所有影響因素，如溫度、濕度等。

針對上述問題，本文將基于斷裂力學，以抓斗卸船機為例，開展鋼結構疲勞壽命評估方法的設計研究。

1" " 基于斷裂力學的抓斗卸船機鋼結構疲勞點確定

為滿足鋼結構疲勞壽命評估需求，基于斷裂力學，進行抓斗卸船機鋼結構疲勞點的確定。在此過程中，引進FEA技術，建立抓斗卸船機本體鋼結構模型，將結構劃分為若干個獨立單元，通過求解每個單元的力學響應，得出整個結構的應力、應變等參數分布[3]。為實現對力學響應過程的定量化，利用斷裂力學的應力強度因子、斷裂韌性等參數，分析機械作業中的主要受力點，確定裂紋最可能萌生的區域，即鋼結構的疲勞點。

在斷裂力學中，應力強度因子主要描述裂紋尖端附近的應力狀態[4]。對于二維裂紋，其應力強度可以通過下述公式計算得到：

K=σf（a/W）" " " " " " " " " " " "（1）

式中：K表示應力強度；σ表示材料強度系數；a表示遠場應力；f表示結構寬度；W表示材料的彈性模量。

根據上述公式，計算本體結構模型中獨立單元應力強度因子的作用范圍，此過程計算公式如下：

d=C（K·Δb）2" " " " " " " " " " " " （2）

式中：d表示強度因子的作用范圍；C表示材料斷裂韌性；Δb表示應力水平均值。

在上述內容的基礎上，根據材料的臨界應力強度，進行材料抵抗裂紋擴展力的計算[5]。計算公式如下：

m=" " " " " " " " " " " "（3）

式中：m表示材料抵抗裂紋擴展力；α表示臨界應力強度；S表示動載應力。

如計算結果m大于等于本體結構強度，則定位此結構在模型中對應的單元，將此單元映射的區域作為抓斗卸船機鋼結構疲勞點。

2" " 鋼結構應力值采集

抓斗卸船機的使用年限為鋼結構疲勞壽命，因此，可采用獲取鋼結構應力值的方式，進行機械作業中主要受力的集中分析[6]。在此過程中，采用有限元分析的方式，構建抓斗卸船機的三維模型，賦值材料屬性和邊界條件，針對滿載、空載、不同角度作業等工況，設置相應的載荷和約束。運行FEA，對抓斗卸船機鋼結構進行靜應力分析，確定在不同工況下的應力分布[7]。根據結構作業方式，按照下述公式，計算抓斗卸船機鋼結構的拉應力（壓應力）。

F1=A/R2·m" " " " " " " " " "（4）

式中：F1表示抓斗卸船機鋼結構的拉應力（壓應力）；A表示鋼結構載荷；R表示鋼結構截面積。

根據桿件縱軸（垂直方向）作業模式與上述公式計算結果進行結構剪應力的計算，公式如下：

F2=" " " " " " " " " " " （5）

式中：F2表示結構剪應力；B表示剪力。

對于抓斗卸船機中的細部結構，可以采用將靜應力和動應力進行疊加的方式，得到完整的疲勞應力數據[8]，輸出每個作用力點的總應力值。計算公式如下：

F=F1+F2" " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：F表示作用力點的總應力值。

按照上述方式，完成鋼結構應力值的采集。

3" " 疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估

在確定了抓斗卸船機鋼結構的應力分布后，根據循環載荷下應力的最大、最小值，確定應力范圍。此過程計算公式如下[9]：

δ=" " " " " " " " " " "（7）

式中：δ表示應力有效作用范圍；δmax、δmin分別表示循環載荷下應力的最大、最小值。

根據應力作用范圍，確定鋼結構上的應力作用中心，即應力集中最為顯著、最可能導致裂紋萌生和擴展的區域，或鋼結構上受到最大應力或應力變化最劇烈的點或區域[10]。通常情況下，此區域會呈現出較高的應力值或應力梯度。根據Pairs-Erdogan理論，結合材料的疲勞裂紋擴展參數，計算在給定的應力作用下，裂紋在該位置擴展的速率。計算公式如下：

β=Z·

2·δ" " " " " " " " " " " （8）

式中：β表示裂紋擴展速率；Z表示材料的疲勞裂紋擴展參數；χ表示應力作用中心。

根據上述公式，結合鋼結構表面裂紋初始長度、裂紋擴展到導致結構失效的長度，計算鋼結構達到臨界裂紋長度所需的循環次數，將其作為鋼結構疲勞壽命的評估結果。此過程計算公式如下：

η=

（9）

式中：η表示鋼結構達到臨界裂紋長度所需的循環次數；φ表示裂紋擴展到導致結構失效的長度。

按照上述方式，完成疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估。

4" " 對比實驗

完成上述評估方法的設計后，為實現對該方法評估結果可靠性的鑒定，選擇某運輸單位作為試點，此單位使用抓斗卸船機作為關鍵設備，通過抓斗抓取物料并將其卸載到指定位置，進行船舶貨物的裝卸。

為進一步提高港口的裝卸能力和生產效率，實現船舶貨物的快速裝卸，需定期進行設備鋼結構的疲勞壽命評估。為確保實驗結果的真實性，對選用的抓斗卸船機主要技術參數進行分析，相關內容如表1所示。

截至目前，此抓斗卸船機已投入使用約4年，為確保其在長期作業中保持穩定的性能，防止因疲勞破壞導致的安全事故，有必要采取一定的技術手段對其進行疲勞壽命評估。通過科學的評估方法，可以預測鋼結構在交變應力作用下的疲勞損傷程度，從而確保抓斗卸船機的安全運行，延長其使用壽命，提高港口的裝卸效率和作業安全性。評估前，采集此抓斗卸船機近三年到港作業情況數據，如表2所示。

完成上述準備工作后，布置抓斗卸船機鋼結構疲勞壽命評估測點，測點分布如圖1所示。

在已知此設備作業參數與相關作業數據的基礎上，選用ARIMA模型，進行抓斗卸船機鋼結構建模，使用歷史數據訓練模型，在考慮抓斗卸船機維修系數、運行時間、已使用次數的基礎上，進行鋼結構疲勞壽命的預測。

同時，引進文獻[1]、文獻[2]方法作為對照，對測點1～12的疲勞壽命進行評估，將本文方法與對照方法的評估結果與模型的預測結果進行比對，通過此種方式檢驗提出的方法評估效果，如表3所示。

從表3所示的結果可知，應用本文方法進行鋼結構疲勞壽命評估，評估結果與模型預測結果的誤差在±0.1 a范圍內，而應用文獻[1]、文獻[2]方法進行評估，其結果與模型預測的結果誤差較大，無法將其作為檢驗鋼結構疲勞壽命的最終依據。

上述結果表明，本文設計的基于斷裂力學的評估方法應用效果良好，該方法可以精準預測鋼結構的疲勞壽命，為抓斗卸船機的規范化應用提供科學決策依據，進一步輔助技術人員對此機械設備的運維與管理，解決由鋼結構過度疲勞造成的機械故障等問題。

5" " 結束語

抓斗卸船機在運行過程中，其鋼結構會受到多種動態或循環性活動載荷的作用，如吊車活動載荷、海浪沖擊等。載荷會使鋼結構產生應力集中和疲勞損傷，進而影響設備的整體性能和安全性。根據統計，80%～90%的機器斷裂都是由金屬疲勞造成的，在長期重復加載的情況下，鋼結構失效是一種較為普遍的現象。為實現對鋼結構疲勞損傷的定量分析，本文基于斷裂力學，以抓斗卸船機為例，通過疲勞點確定、鋼結構應力值采集、疲勞裂紋擴展速率計算與壽命評估，開展了鋼結構疲勞壽命評估方法的設計研究，旨在通過此次設計，預測抓斗卸船機的疲勞壽命，為設備的運行管理、維修保養和改造升級提供科學依據；同時促進斷裂力學在工程機械領域的應用和發展，推動相關技術的創新和進步。

[參考文獻]

[1] 石越峰，李鵬飛，樓梁偉，等.凍融作用下高速鐵路路基瀝青混凝土防水封閉結構疲勞壽命預測模型[J].鐵道建筑，2024，64（3）：106-111.

[2] 張涵，張東升，朱衛平.液壓成形對液體火箭發動機多層增強S型波紋管結構疲勞壽命的影響[J].火箭推進，2024，50（1）：113-126.

[3] 陳豐，李岳，劉星坤，等.面向自動駕駛編隊的瀝青路面結構疲勞壽命預估模型[J].中國公路學報，2023，36（12）：34-46.

[4] 金傳領，萬瑜，徐家駒，等.機組變負荷對省煤器入口管道焊接結構疲勞壽命影響的分析[J].發電設備，2023，37（4）：212-216.

[5] 董佳晨，楊智勇，鄭錫濤，等.螺栓擰緊力矩對復合材料多釘連接結構疲勞壽命的影響[J].西北工業大學學報，2023，41（3）：455-463.

[6] 廖鼎，朱順鵬，高杰維，等.耦合臨界平面-臨界距離理論的缺口結構疲勞壽命預測[J].機械強度，2023，45（2）：454-461.

[7] 宋起龍，員征文，褚盼，等.基于子模型法的標準節焊接結構疲勞壽命評價方法研究[J].建設機械技術與管理，2022，35（6）：85-87.

[8] 劉斌超，魯嵩嵩，曾葦鵬，等.從金屬材料疲勞性能的力學描述到飛機結構疲勞壽命評定：現狀與展望[J].固體力學學報，2023，44（4）：417-457.

[9] 周韶澤，郭碩，張軍，等.基于子結構瞬態結構應力的軌道車輛焊接結構疲勞壽命評估方法研究[J].鐵道學報，2022，44（9）：48-54.

[10] 李磊，臧蘭蘭，郎艷，等.基于BS EN 1993-1-9-2005的城軌車輛車體結構疲勞壽命分析[J].電力機車與城軌車輛，2022，45（2）：67-71.

收稿日期：2024-06-26

作者簡介：區冠華（1973—），男，廣東新興人，港口機械工程師，主任工程師，研究方向：機械設備管理。