起重機主梁疲勞分析與結構強化技術

摘 要：【目的】對某型號起重機主梁進行疲勞分析，評估其疲勞壽命，并探索有效的結構強化技術，以提高主梁的疲勞性能和使用壽命。【方法】首先，采用有限元分析和疲勞壽命預測方法對主梁進行分析；其次，應用S-N曲線和Miner線性累積損傷理論建立疲勞壽命預測模型；再次，通過加勁肋優(yōu)化設計、焊接工藝改進和材料選擇等方法實施結構強化；最后，使用一級二階矩法和蒙特卡羅模擬進行結構可靠性驗證。【結果】研究發(fā)現(xiàn)主梁下翼緣與腹板連接處存在疲勞裂紋隱患。通過結構強化，該處應力從255 MPa降至175 MPa；主梁整體疲勞壽命從20.5 a延長到29.1 a，15 a設計壽命的可靠度從0.92提升至0.987 5。【結論】采用Q355B鋼并結合優(yōu)化設計和改進工藝，可顯著提高起重機主梁的疲勞性能和可靠性。建立的疲勞壽命預測模型為類似結構的設計與優(yōu)化提供了參考。未來研究方向包括多場耦合疲勞分析和全壽命周期監(jiān)測與評估。

關鍵詞：起重機主梁；疲勞分析；結構強化；有限元分析；疲勞壽命預測

中圖分類號：TH215" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）02-0057-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.011

Abstract： [Purposes] This study aims to conduct fatigue analysis on a specific type of crane main beam， assess its fatigue life， and explore effective structural strengthening techniques to improve the beam's fatigue performance and service life. [Methods] Firstly， the finite element analysis and fatigue life prediction methods were employed to analyze the main beam; secondly， a fatigue life prediction model was established using S-N curves and Miner's linear cumulative damage theory; thirdly， structural strengthening was implemented through optimized stiffener design， improved welding techniques， and material selection; finally， first-order second-moment method and Monte Carlo simulation were used for structural reliability verification.[Findings] The study identified fatigue crack risks at the junction of the lower flange and web of the main beam. Through structural strengthening， the stress at this location was reduced from 255 MPa to 175 MPa. The overall fatigue life of the main beam increased from 20.5 years to 29.1 years， and the reliability for a 15-year design life improved from 0.92 to 0.987 5. [Conclusions] The use of Q355B steel， combined with optimized design and improved processes， can significantly enhance the fatigue performance and reliability of crane main beams. The established fatigue life prediction model provides a reference for the design and optimization of similar structures. Future research directions include multi-field coupled fatigue analysis and full life cycle monitoring and assessment.

Keywords： crane main beam; fatigue analysis; structure strengthening; finite element analysis; fatigue life prediction

0 引言

起重機主梁作為承載設備的關鍵結構件，長期承受交變載荷作用，極易產生疲勞損傷。隨著起重機向大型化、智能化方向發(fā)展，主梁結構疲勞問題日益突出。準確評估主梁疲勞壽命，并采取有效的結構強化措施，對起重機安全運行至關重要。近年來，國內外學者在起重機主梁疲勞分析方面開展了大量研究，但針對特定工況下主梁疲勞行為的深入分析及結構強化技術的系統(tǒng)研究仍顯不足。因此，開展起重機主梁疲勞分析與結構強化技術研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 起重機主梁疲勞分析

1.1 建立主梁有限元模型

本研究基于某型號50 t橋式起重機的實際參數(shù)，采用ANSYS軟件建立起重機主梁的有限元模型。主梁長度為28 m，采用箱型截面，高1.8 m，寬0.8 m，上下翼緣厚0.32 m，腹板厚0.32 m。模型使用Shell181殼單元進行網格劃分，單元尺寸為50 mm，共生成152 640個單元和153 872個節(jié)點。材料選用Q355B鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。考慮到起重機運行時的動態(tài)效應，在靜載荷基礎上引入1.2的動載系數(shù)。模型邊界條件設置為兩端簡支，并在支座處施加約束［1］。通過該模型可準確模擬主梁在實際工況下的受力狀態(tài)和變形，起重機主梁有限元模型如圖1所示。

1.2 載荷譜分析

載荷譜分析是評估起重機主梁疲勞性能的關鍵步驟。在主梁關鍵位置安裝應變片，進行為期一個月的連續(xù)應力監(jiān)測。在獲取原始應力—時間數(shù)據后，應用雨流計數(shù)法對數(shù)據進行處理，將不規(guī)則應力時程轉化為一系列完整的應力循環(huán)。將得到的應力循環(huán)按幅值大小劃分為8個等級，統(tǒng)計每個等級的循環(huán)次數(shù)［2］。考慮平均應力的影響，需要應用古德曼修正方法，將各級變幅應力轉換為等效的平均值應力循環(huán)。然后利用線性累積損傷理論建立疲勞損傷模型。該模型需要結合材料的應力—壽命曲線（S—N曲線），如圖2所示。

基于此模型，可以計算每級載荷造成的損傷量，并將所有級別的損傷量累加，得到總的累積損傷值。將計算得到的累積損傷值與理論臨界值1.0進行比較，評估主梁的疲勞狀態(tài)。這一分析過程為后續(xù)的應力分布計算和疲勞壽命評估奠定了基礎，有助于識別潛在的疲勞風險。

1.3 應力分布計算

應力分布計算基于有限元模型和載荷譜分析的結果展開。利用ANSYS軟件進行靜力學分析，將載荷譜中的最大載荷施加于主梁模型。主梁受力分析采用梁理論，并考慮彎矩和剪力的共同作用。彎曲應力σb和剪應力τ分別由式（1）和式（2）計算。

1.4 疲勞危險部位識別

疲勞危險部位識別是一個系統(tǒng)性的過程，結合了應力分析、疲勞理論和工程經驗。識別過程始于詳細的有限元分析，對主梁模型進行精細網格劃分，單元尺寸通常選擇10～20 mm，以確保捕捉到局部應力集中。應用Von Mises應力準則計算主梁各部位的等效應力分布，應特別關注應力梯度較大的區(qū)域。結合載荷譜分析結果，利用雨流計數(shù)法將復雜載荷簡化為一系列等效應力循環(huán)。對每個網格單元，應用Palmgren-Miner線性累積損傷理論計算疲勞損傷值，具體計算見式（4）。

本研究設定疲勞損傷閾值，通常取0.8或0.9，將超過閾值的區(qū)域標記為潛在疲勞危險部位。同時，針對結構應力敏感區(qū)，結合應力分布和累積損傷計算結果，綜合評估敏感區(qū)域的疲勞風險［4］。此外還應考慮腐蝕、溫度變化等環(huán)境因素對疲勞行為的影響，必要時進行修正。

2 主梁疲勞壽命預測

2.1 S—N曲線擬合

S—N曲線擬合是預測主梁疲勞壽命的關鍵步驟。對Q355B鋼材進行軸向加載疲勞試驗，應力比R=-1，頻率10 Hz，覆蓋104～107循環(huán)范圍。試驗數(shù)據在雙對數(shù)坐標系中呈現(xiàn)近似直線分布。采用最小二乘法進行回歸分析，得到S—N曲線方程見式（5）。

2.2 Miner線性累積損傷理論

應用該理論時，結合修正后的S—N曲線[logN=14.8-3.5logk·S，取k=1.12]計算各應力水平下的Ni。對主梁關鍵部位，累積損傷值D達到臨界值所需的時間即為預測疲勞壽命［5］。為提高精度，引入Neuber法則修正局部應力集中，并考慮殘余應力影響。此外，采用概率Miner理論，引入隨機變量描述材料性能和載荷分布，通過Monte Carlo模擬得到疲勞壽命的概率分布，為可靠性設計提供依據。

2.3 疲勞壽命計算模型

疲勞壽命計算模型整合了S—N曲線、Miner線性累積損傷理論和應力譜分析結果，模型核心公式見式（8）。

該模型還考慮了概率因素，應用Monte Carlo模擬考慮材料性能和載荷分布的隨機性。通過大量模擬得到疲勞壽命的概率分布，為可靠性設計提供基礎。模型輸出包括平均預期壽命和給定可靠度下的疲勞壽命，其為工程決策提供依據。

2.4 壽命預測結果分析

壽命預測結果分析揭示了起重機主梁疲勞性能的多個關鍵方面，具體見表1至表4。

基于表1到表4的分析結果，建議在14.8 a時進行全面檢修或結構強化，以滿足目標可靠度要求。同時應優(yōu)化起重機的使用策略，控制重載頻率，并加強對關鍵部位的監(jiān)測和維護。這些措施將有助于延長設備壽命，提高運行安全性，并最大化設備使用效益。

3 主梁結構強化技術

3.1 加勁肋優(yōu)化設計

本研究通過有限元分析，確定了主梁下翼緣與腹板連接處為應力集中區(qū)，最大應力達255 MPa。為降低應力集中，在該處增設垂直加勁肋，厚度為12 mm，高度為600 mm，間距為1200 mm。采用拓撲優(yōu)化方法，得到了加勁肋的最優(yōu)形狀：上端寬度150 mm，下端寬度250 mm，呈梯形分布。材料選用Q355B鋼，與主梁基體材料相同，確保其具有良好的焊接性能。優(yōu)化后的有限元分析顯示，局部最大應力降至195 MPa，減少23.5%。加勁肋的引入改變了應力分布路徑，使應力更均勻地傳遞至主梁整體結構。同時計算表明主梁的整體剛度提高了16%，有效減小了變形量。疲勞分析結果顯示，優(yōu)化后的結構在相同載荷譜下，預期疲勞壽命從20.5 a延長至26.7 a，提升幅度達30.2%。加勁肋的布置還應注意制造和焊接工藝，采用全熔透焊接，焊縫尺寸為8 mm，并進行超聲波探傷檢測，確保焊接質量。這種優(yōu)化設計不僅提高了主梁的疲勞性能，還兼顧了經濟性和可實施性，為起重機主梁結構強化提供了有效解決方案。

3.2 焊接工藝改進

針對下翼緣與腹板連接處的高應力集中問題，采用了低溫預熱和后熱處理相結合的方法。考慮到Q355B鋼的性能特點，預熱溫度設定為170 ℃，有效降低了焊接冷裂紋的敏感性。焊接采用窄間隙MAG焊，電流為400～440 A，電壓為30～34 V，焊絲直徑為1.2 mm，保護氣體為80%Ar+20%CO2。為減小焊接殘余應力，實施了分段焊接和反變形預置技術。每段焊縫長度控制在280 mm以內，焊接順序采用對稱布置。焊接后立即進行超聲沖擊處理（UIT），頻率為27 kHz，振幅為25 μm，處理時間為65 s/100 mm。UIT不僅引入了-170 MPa左右的壓應力，還細化了焊縫表面晶粒，顯著提高了疲勞強度。焊縫成形采用TIG重熔技術，電流為170～190 A，電壓為15～17 V，行進速度為95 mm/min，將焊趾角從原來的30°增大到48°，進一步減小了應力集中系數(shù)。通過X射線衍射測量，優(yōu)化后的焊接接頭殘余應力從+190 MPa降低到+40 MPa，疲勞壽命提高了45%。這些改進措施綜合考慮了Q355B鋼的特性、應力狀態(tài)、金相組織和幾何形狀，大幅提升了主梁的疲勞性能。

3.3 材料選擇與表面處理

針對高應力區(qū)域，采用Q355B高強度低合金鋼，屈服強度達到355 MPa。Q355B鋼具有良好的焊接性和韌性，將碳當量控制在0.45以下，確保了焊接接頭的性能。為進一步提高疲勞強度，對Q355B鋼進行了噴丸強化處理，使用直徑0.8 mm的鋼珠，噴射壓力為0.65 MPa，覆蓋率為210%。在表面處理后，主梁表層形成了深度約0.28 mm的壓應力層，最大壓應力達-350 MPa。X射線衍射分析顯示，表層晶粒尺寸從原來的55 μm細化到18 μm，顯著提高了疲勞裂紋萌生壽命。為防止腐蝕，采用環(huán)氧富鋅底漆（膜厚80 μm）和聚氨酯面漆（膜厚55 μm）的雙層防護體系，經過鹽霧試驗680 h無銹蝕。通過材料選擇和表面處理的協(xié)同作用，主梁的疲勞強度提高了42%，預期使用壽命從20.5 a延長到29.1 a。這種綜合優(yōu)化方案提高了結構可靠性，并具有良好的耐腐蝕性，為起重機長期安全運行提供了堅實保障。

4 強化效果評估

4.1 強化前后應力分布對比

強化措施顯著改善了主梁的應力分布，具體見表5。加勁肋優(yōu)化重新分配了載荷路徑，有效分散了應力集中。焊接工藝的改進降低了殘余應力，提高了接頭疲勞強度。Q355B鋼的應用和表面處理提升了整體抗疲勞性能，使應力分布更均勻，峰值應力明顯降低。強化效果在高應力區(qū)域尤為顯著，為延長主梁壽命奠定了基礎。局部應力重分布可能引起新的薄弱環(huán)節(jié)，應持續(xù)進行監(jiān)測和評估。

4.2 疲勞壽命提升分析

疲勞壽命提升分析揭示了結構強化措施的顯著效果。采用修正的Miner線性累積損傷理論，結合更新的S—N曲線（log N = 15.2 - 3.3 log S），重新評估了主梁各關鍵部位的疲勞壽命。結果表明，下翼緣與腹板連接處壽命提升最為顯著，達57.8%。這主要歸功于加勁肋的優(yōu)化和焊接工藝的改進，有效降低了應力集中和殘余應力。Q355B鋼的應用和表面處理在全局范圍內提升了疲勞性能，使得即使應力降低相對較小的區(qū)域也獲得了可觀的壽命延長。值得注意的是，壽命提升幅度與應力降低率并非簡單的線性關系，這反映了疲勞損傷累積的非線性特性。強化后，主梁整體疲勞壽命均超過30 a，大幅提高了結構可靠性和經濟性。

4.3 結構可靠性驗證

結構可靠性驗證采用一級二階矩法，考慮載荷、材料強度和幾何參數(shù)的隨機性。應力模型不確定性因子取對數(shù)正態(tài)分布，均值為1.0，變異系數(shù)為0.1。強化后，15 a設計壽命的可靠度從0.92提升至0.987 5，超過目標可靠度0.95。可靠度指標β增加59.50%，反映了結構安全裕度的顯著提高。失效概率降低了84.38%，大幅減少了潛在風險。

敏感度分析顯示，載荷譜和Q355B鋼疲勞強度的離散性對可靠度影響最大，其次是幾何參數(shù)。強化措施有效降低了這些因素的不利影響。蒙特卡羅模擬（106次）驗證了一級二階矩法結果的準確性，兩者誤差小于3%。重要性抽樣技術進一步評估了極端工況下的可靠性，結果表明，即使在95%置信水平的極端載荷下，20 a延長壽命的可靠度仍達0.953 2，滿足安全要求。

5 結語

本研究運用有限元分析、疲勞壽命預測等技術，對起重機主梁進行了系統(tǒng)的疲勞分析。通過增加加勁肋、優(yōu)化焊接工藝等措施，顯著提高了主梁的疲勞壽命。建立的疲勞壽命預測模型為類似結構的設計與優(yōu)化提供了參考。未來研究將聚焦于考慮溫度、腐蝕等因素影響的多場耦合疲勞分析，以及基于數(shù)字孿生技術的起重機主梁全壽命周期的監(jiān)測與評估，以期進一步提升和延長起重機結構的可靠性和使用壽命。

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