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摘要：疲劳破坏是桥式起重机主要的失效形式之一。针对桥式起重机金属结构的疲劳问题，本文在阐述桥式起重机的金属结构疲劳基本理论的基础上，就桥式起重机的金属结构疲劳改进问题进行策略分析。
关键词：桥式起重机；有限元分析；疲劳寿命
引言
何科学评估起重机金属结构的疲劳寿命，是保障桥式起重机安全使用，预防和控制重大事故，确保企业安全、高效生产的重要问题。到业内人士的广泛认可。本文应用断裂力学估算桥式起重机的疲劳寿命，通过疲劳寿命分析可以及时了解起重机的疲劳状况，对指导起重机的检验和维护提供科学的依据，对预防疲劳破坏事故的发生具有重要意义。
一、疲劳累积损伤理论
由于疲劳失效是一个缓慢并且渐进过程，所以引入了“损伤”的概念。疲劳损伤是指材料受到外力作用下内部的结构和性能产生了变化，如强度下降和裂纹产生。疲劳损伤没有固定的疲劳损伤模式，物理形态也各不相同，这也是疲劳分析有难度的原因所在。当材料上的应力高于屈服极限时，每产生一次循环应力，材料就会受到相应的破坏，损伤可以累积。当材料累计的损伤超过其所能受的范围，材料将发生疲劳失效，并产生可见的裂纹，这就是疲劳累积损伤理论的基本原理。
二、起重机金属结构有限元分析
3.1三维模型的建立
桥式起重机金属结构是起重机的主要承载构件，由主梁、端梁和起重小车钢轨组成，图1展示了其简化结构
1—端梁; 2—主梁; 3—起重小车钢轨
图 1金属结构
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三维有限元模型是进行结构分析的基础，模型的合理与否直接影响分析的准确性。根据 QD 型( 50 /10 t － 31.5 m) 双梁桥式起重机的设计尺寸可得其钢板最小宽厚比 a = 371 /8 = 46． 25 ＞ 10，所以选择壳单元建模。为了提高分析效率，对模型进行简化处理，去除过渡圆角、小孔等。直接利用ABAQUS / CAE 模块建立小车钢轨、主梁和端梁部件，装配得到金属结构的三维模型。
3.2结果分析
在完成起重机金属结构材料、载荷、边界条件的定义以及网格划分等前处理工作后，选取3种典型工况———起重小车满载位于主梁跨中(工况一)、1/4跨(工况二)和端部极限位置( 工况三) 进起重机金属结构的静力分析。起重机金属结构在 3 种典型工况下最大应力、位移及其热点区域见表 1。
表1 应力和位移热点区域
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三、疲劳寿命预测
起重机的疲劳破坏大体上就是初始裂纹从扩展到断裂的过程，而这一过程所需要的时间就是起重机的疲劳寿命。当裂纹长度达到临界裂纹长度时，构件就发生断裂，故构件的疲劳寿命主要是由裂纹扩展速率决定的。目前，国内外最常用 Paris 公式来计算起重机主梁的裂纹扩展速率，具体公式如下：
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式中：a为裂纹长度；N为应力循环次数；C和m为与材料有关的系数；K为应力强度因子；F为与加载方式有关的系数；σ为结构应力。通过对式（1）进行积分，得到下式：
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式中： a0为初始裂纹长度； ac为临界裂纹长度。起重机属于无限大受拉构件，F为常数，故可以得到解析式 （4） 和 （5）。
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疲劳破坏主要出现在疲劳性能薄弱或应力最大的部位。根据实际检测，起重机主梁裂纹多发于跨中附近受拉区焊趾、焊缝交叉处等[8]。本文以疲劳核算点作为疲劳源来计算起重机主梁的疲劳寿命，如图4所示。
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图4 柱梁疲劳核算点示意图
由于现有的条件的局限不能进行载荷谱的现场统计，本文通过仿真计算得到疲劳源附近的应力值。以工况1为例，疲劳源附近的最大应力σmax=63.263 MPa，而 σmin=11.2155MPa，其表示额载工况下最大应力值所在1689节点在空载工况下的应力值，此时Δσ值最大。
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计算得N =3.5×105次，由此可见，起重机主梁工况1疲劳寿命（循环次数）为3.5×105次。经过计算，可以进一步得到该起重机主梁的剩余寿命曲线，如图6所示。对图分析可知，当裂纹超过20mm后，裂纹的扩展速率明显加快，故对大于20mm的裂纹应重点监控。
图6 剩余寿命曲线裂纹长度/mm
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结束语：
当起重机裂纹长度超过20 mm时，裂纹的扩展速率明显加快，对有大于20mm裂纹的起重机应慎重使用 。基于有限元分析法估算桥式起重机焊接箱形梁的裂纹扩展寿命，具有简便实用的特点。该法不仅可以估算焊接结构的剩余疲劳寿命，而且可以推算出具有初始缺陷的焊接结构裂纹扩展任一阶段时的疲劳寿命。但基于有限元法分析裂纹处的应力，以此来估计疲劳寿命，由于裂纹的随机性和现场情况的复杂性，估算起重机的疲劳寿命可能存在误差，有待于结合起重机疲劳试验做进一步的深入研究和应用。
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