陈涛
中山市金马科技娱乐设备股份有限公司 广东省中山市 528400
1、传统的海盗船横梁疲劳寿命评估方法及不足
海盗船是游乐园常见的传统游乐设备，是一种绕水平轴往复摆动的游乐项目。海盗船运动模型为单摆模型，横梁作为主体支撑结构，承受船体拉杆的方向交变变化的拉力，最容易发生结构或焊缝的疲劳损伤。若发生结构疲劳，则出现的就是主体钢构坍塌，发生重大的人员伤亡事故。因此，准确的疲劳寿命评估对设备的安全尤其重要。同时，精确的寿命评估也可为设备设计的经济性提供参考依据。
对于海盗船横梁的疲劳寿命评估，传统的方法是依据《GB 50017-2017钢结构设计标准》应用应力幅值法进行校核。实际的应力幅值应小于应力循环次数对应的应力容许幅值：
则该应力幅值不会带来疲劳损伤。
常应力幅疲劳计算按以下公式进行：
变应力幅的疲劳计算按以下公式进行计算：
具体参数定义可参见《GB 50017-2017钢结构设计标准》。
海盗船横梁的承载工况属于变应力幅值的类型，要按照变应力幅疲劳公式进行计算。仔细分析公式（2）可知，变应力幅值的疲劳计算使用了疲劳幅值统计和疲劳幅值等效转换两种方法进行处理。
首先是分析疲劳幅值波形图，统计不同疲劳幅值的频次，接着根据变幅疲劳预期寿命，将变幅疲劳幅值折算为循环次数为2×106次的等效正应力幅，再将该应力幅值与循环次数为2×106的容许正应力幅值进行对比，判定疲劳损伤是否达到破坏；
钢结构设计标准规定的计算公式存在两点不足：其一，未明确应力疲劳幅值的统计方法；其二，将不同应力幅值的疲劳损伤进行等效转。
因为低应力幅比高应力幅的疲劳损伤效果不一样，故将不同应力幅值进行等效折算不够精确。另外，疲劳幅值的频次统计方法未明确，则不同的统计方式的统计结果有所差异，自然影响了寿命评估的精度。
基于传统评估方式的不足，横梁寿命估计，会按以下两种方式进行处理：
方法一：不考虑变幅应力，统计时只考虑应力幅值的中位数，即忽略频次比较少的高应力幅值和低应力幅值，取频次较多，应力幅值较高的进行校核。
方法二：分别统计各个应力幅值和频次，将变幅应力等效成多个常幅应力进行组合，根据《GB 50017-2017钢结构设计标准》中规定的S-N曲线进行逐个校核，必须每个常幅应力都满足预期寿命要求，才能达到要求。
以上的计算方法要么过于简化，要么趋于保守，计算结果均不太精确。且由于应力幅值的统计方法没有统一标准，故评估结果也因统计方法不同而产生差别。无法精确评估疲劳寿命，设计和生产缺乏有效的参考依据。
2、基于雨流法的寿命评估的原理和优点
基于传统疲劳计算方法存在的不足，笔者提出了基于雨流法的寿命评估方法，该方法可精确统计应力谱中的不同应力幅值和频次，且利用雨流法作为应力幅值的统计方法之一，是全循环计数法，它统计出时间载荷历程中构件经历的所有大小完整的应力循环，是基于材料的应力-应变过程进行统计。
另外常见的应力波形统计方法有峰值计数法、变程计数法。
峰值计数法对所有载荷等级的应力峰值进行统计，体现了载荷波动信息，但该方法重复统计了时间历程中小载荷波动幅值，夸大了小载荷对构件的损伤。
变程计数法（ 振幅计数法）， 则只计及载荷时间历程中波峰和波谷之间的距离，而不考虑该振程距零载荷的距离， 它考虑了影响机件寿命的主要因素—振幅， 但是忽略了载荷的静态分量。[2]
由于构件的疲劳是金属内部局部范围产生的反复塑性应变所造成，且材料的应力-应变具有记忆特性。材料的记忆特性是指: 一个大的应力反复被一个小的循环中断后, 仍记得原来的路径[3]。故雨流法比较适用于本构件交变应力的统计。
在雨流法统计应力幅值和频次的基础上，根据Miner 线性疲劳损伤积累准则，精确计算每个应力幅值带来的疲劳损伤，综合评估结构的疲劳寿命，可得到校为精确的结果。
3、计算流程设计
基于雨流法笔者设计了以下的计算流程：
4、雨流法的实践应用和指导意义
笔者在设计海盗船横梁设计过程中应用以上的计算流程进行寿命评估辅助设计。横梁预期寿命为25年。
拟合的疲劳寿命S-N曲线如下：
图
疲劳寿命评估表格如下：
计算的疲劳寿命为3.6年远远小于预期寿命25年，根据疲劳寿命评估表格可知，横梁的疲劳幅值比较高，均大于85MPa。高应力幅值带来的疲劳损伤较大，横梁承受拉板传递的扭矩过大，需加强横梁的抗扭能力。进行结构优化，在立柱与横梁之间增加抗扭加强板：
旧模型 更改后模型
更改结构后最大疲劳应力幅值计算结果如下：
疲劳寿命评估表格如下：
优化后的模型疲劳应力幅值大幅度降低，疲劳计算寿命33.9年，满足25年的预期寿命。
由计算案例可知，基于雨流法的疲劳寿命评估能够克服《钢结构设计标准》变幅应力疲劳计算中的不足，提供一个精确评估变幅应力疲劳寿命的方法。通过该方法不断优化结构，让设备结构的疲劳寿命逼近预期的寿命值。为游乐设施的设计的安全性、经济性提供科学的依据。
作者简介：陈涛，男，1983年出生，本科，工程师。主要研究方向为游乐设施开发和制造.?