基于MSC.Fatigue的门式起重机主梁疲劳寿命预算

曾祥志

（吉林省大乘钢材加工有限公司，吉林 长春100070）

Fatigue（疲劳）一词最早出现在早拉丁文中（Fatig?re），通常是指人的身体和精神上的劳累。作为工程术语，疲劳用来反应在循环变载荷作用下材料的损伤和破坏。在上世纪60年代，国际标准化组织（ISO）发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”[1-2]。疲劳的另一个定义是：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳[36]。

根据研究对象、载荷条件、环境和介质情况，疲劳有很多种分类方法。

1）按研究对象可分为材料疲劳和结构疲劳；

2）按失效周次可分为高周疲劳和低周疲劳；

3)按载荷条件分随机疲劳、冲击疲劳、接触疲劳、微动摩损疲劳和声疲劳；

4)按温度环境分为高温疲劳、低温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。

1 估算方法分析

名义应力法是最早的抗疲劳设计计算方法，它以零件或材料的曲线为基础，结合疲劳累积损伤理论，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。

MSC.Fatigue的疲劳分析过程[3-4]可以用图2的五步曲来表示[38]：

图1 MSC.Fatigue疲劳分析五步曲Fig.1 Five Steps of MSC Fatigue Analysis

2 载荷信息分析

图2 修正后的Q345钢的P-S-N曲线Fig.2 Corrected P-S-N curve of Q345 steel

门式起重机械的主梁在工作中所经历的最大应力远低于材料的屈服极限，其变形均为线弹性变形，处于低应力高频疲劳状态，起重机金属结构疲劳属于高周疲劳。因此，在运用MSC.Fatigue进行主梁的疲劳寿命分析时，运用名义应力法，即假设起重机主梁结构中不存在裂纹缺陷，并结合Miner法则进行全寿命分析。

为了起重机的安全，取置信度为99.9%时的疲劳极限值205.31MPa，得到修正后的Q345材料P-S-N曲线如图2所示。

考虑到实际操作过程中，根据厂方提供的数据，该起重机满载起重量为300t，每天起吊100000t的货物，每周停止工作半天检修，每天的循环次数为1000/3，以一天24小时为单位，把主梁承受的随机载荷编制成符合实际情况的载荷谱图。

3 疲劳寿命估算

运用MSC.Fatigue疲劳分析软件对造船门式起重机主梁钢结构分别在表1中各个工况载荷下进行疲劳寿命分析计算，得到各个工况下的疲劳寿命云图如图3到图6所示。

从计算结果可以得出：

1）该类型造船门式起重机主梁结构的最小寿命计算值为1.72×106小时，折合成年数为15.2年；

2）该类型造船门式起重机主梁跨中以及端部上盖板和侧板焊接处的疲劳寿命相对比较短，应作为检修的重点巡检部位；

3）若对这类型退役的造船门式起重机进行再制造时，要特别注意其易发生疲劳损伤的危险部位，使用无损检测技术探测其内部肉眼不可见的潜在的疲劳裂。

表1 工况介绍Tab.1 Working conditions

图3 工况一寿命云图Fig.3 Life contours of Conditions one

图4 工况二寿命云图Fig.4 Life contours of Conditions two

图5 工况三寿命云图Fig.5 Life contours of Conditions three

图6 工况四寿命云图Fig.6 Life contours of Conditions four

［1］孙跃众,何小娥,张凤.起重机械主要零部件检查及报废标准[J].建设机械技术与管理,2009(9)：152-154.

［2］杨勇.岸边集装箱起重机剩余寿命及其损伤形式的研究[D].武汉：武汉理工大学,2009.

［3］王国军.MSC.Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社,2009.

［4］杨天存.基于MSC.PATRAN的抓斗卸船机的结构疲劳性能研究[J].2008.