探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展

李丽丽

摘要：起重机械在长久运行的过程中，机械疲劳断裂是不容忽视的一种破坏形式，疲劳断裂常常会导致零部件和工程构件的功能失效从而引发严重的事故。因为疲劳断裂在结零部件和工程构件功能失效前不易被察觉发现的特点，使得起重机械在长久运行中存在很大的安全隐患。本文根据起重机金属结构的特性，结合起重机械的结构和运行规律，运用疲劳学理论，对起重机械疲劳断裂可靠性的分析提出一些新的看法。

关键词：起重机械；疲劳断裂；可靠性；新进展

引言

起重机械的工作环境多变且复杂，在其使用期限内要承受数百万次以上的交变应力的循环作用。因此，疲劳断裂往往会成为一种常见的破坏形式。用理论的理想工作环境进行疲劳分析，能确定零部件和工程构件的使用寿命，而起重机械的复杂工作环境导致的不确定因素增加，使得理论上的疲劳寿命的准确性大打折扣。因此，需要结合疲劳学可靠性理论，综合统计和概率进行起重机械断裂疲劳可靠性分析具有重要的意义。

1.疲劳断裂理论

材料或结构失效的主要原因与形式包括变形、断裂、腐蚀，磨损、变性，其中断裂最为常见，危害性也最大，在很多情况下可能造成灾难性事故。在断裂事故中又以疲劳断裂为多为害，且多属性低应力脆性断裂，易失察失防。

工程中有许多金属零部件和工程构件，例如传动轴、滚动轴承、齿轮、弹簧、叶片等都是在变动载荷下工作的。按照不同的变动载荷作用方式，金属零件承受的应力可分为循环应力和交变应力两种。金属零部件在交变应力作用下，虽然所承受的应力小于材料的抗拉强度甚至小于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后会产生裂纹，甚至会突然发生完全断裂，这种现象称为金属的疲劳断裂。引起疲劳断裂的原因，一般认为是由于零部件的结构形状设计制造不合理，即在零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，或者材料本身强度较低的部位，例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷处，在交变或循环应力的反复下产生了疲劳断裂，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。

2.起重机械整车结构疲劳的数据样本采集与载荷谱编制

疲劳载荷包括周期载荷和非周期载荷，在多数情况下，作用在起重机械零部件和工程构件上的载荷是随变的，基于随机载荷的不确定性，需要用统计的方法对其进行处理，处理后的载荷-时间-历程被称为载荷谱。载荷谱能反映零部件的载荷变化情况，反映真实的工作状态。应用疲劳载荷谱，可以提高零部件和工程构件的抗疲劳强度，在零部件寿命预测上也大有帮助。通过在各种工况下的实际测验，收集起重机械的运行数据样本，经过统计分析可以获得起重机械的疲劳载荷谱。在编制疲劳载荷谱的过程中，要合理恰当地处理机械零部件承受的随机疲劳载荷，遵循遵守损伤等效原则。

运用人工智能进行疲劳载荷谱编制，能完整表达载荷历程的损伤特性。利用此方法，搜索各个顺序效应箱，遵循雨流技术和统计学原则，把循环逐级插入载荷序列中。处理载荷历程，需要对载荷循环进行提取，对载荷历程的载荷顺序效应要有明确表明。要满足原历程与载荷循环的等同性、载荷顺序效应的一致性，通常可采用分段处理装箱的方法。

3.运用随机有限元法进行随机结构分析

近二十年来，随机有限元法逐渐发展为一种新的工程数值计算方法。它的优点在于综合考虑随机参数的影响，因此在动力问题、符合材料力学、计算结构件的可靠度和非线性问题等领域得到了广泛的应用，在机械疲劳断裂可靠性分析方面也有显著的作用。起重机工况的复杂多变，使得许多不确定性因素影响起重机械的零部件和工程构件性能，作用在零部件局部的应力应变随机而变，这些随机变量恰好符合随机有限元法的研究范畴。

运用随机有限元法可以计算金属结构的可靠度，结合随机有限元法与可靠性分析可以得到疲劳裂纹扩展的规律。对疲劳断裂可靠性的分析，可以基于神经网络、基于支持向量机、基于混合遗传算法。神经网络函数适用于解决隐式极限状态方程，具有更高的逼近能力和普遍适应性；使得编程更加容易，同时也提高了计算精度。支持向量机是一种机器学习算法，它基于统计学习理论，小样本学习能力是它的突出优点，适用于结构可靠性分析。起重机械疲劳试验受限于试验时间和试验经费，因而用于疲劳试验的试件通常较少，而统计学要求大量的试验样本数据，故而起重机械小样本疲劳实验不能予以满足。基于支持向量机的疲劳断裂可靠性分析方法可以解决起重机械小样本试验数据问题，它能以较高的精度逼近真实的功能函数，减少隐式功能函数分析的次数，具有较高的工程实用性。混合遗传算法在起重机疲劳断裂可靠性分析中已经得到初步运用，它不受目标函数是否连续、线性、可微调等条件的限制，同时也弥补了遗传算法的一些不足。混合遗传算法优化结果较好，能减少迭代的次数，提高搜索效率。

4.起重机械疲劳断裂可靠性分析

起重机械的疲劳断裂过程为：局部出现高塑性区、萌生断断裂纹、短短裂纹扩散、长短裂纹扩散、零部件和机械构件功能失效。机械结构收外界应变影响，为平衡外载而引起外形的变化。局部应变评价通常用于服役起重机械的强度评估，随着随机有限元法在起重机械疲劳断裂分析领域的广泛应用，局部应变法得以推广。

二十世纪六十年代以来，传统疲劳断裂可靠性分析一步一步开拓发展，但是随着起重机械的快速发展，传统疲劳断裂可靠性分析的方法体现出了越来越严重的缺点，渐渐无法满足起重机械安全性的要求。二十世纪九十年代，应变疲劳法应运而生；应变疲劳法在起初的开拓探索阶段尚不成熟，二十一世纪出现的广义极大似然疲劳试验法，能以较少的试样数据获取概率应变疲劳性能数据，它不同于经典极大似然法，受限于在参考载荷水平之外单试样和单项幂指数疲劳关系的要求。新的广义极大似然疲劳试验法以及随机应变载荷疲劳可靠性模型的提出，形成了起重机械疲劳断裂可靠性分析的新方法和新理论。

参考文献：

[1]陈卫国.试论起重机械疲劳断裂可靠性的心进展.科技风，2012（21）

[2]郑严，程文明，程跃.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展.起重运输机械，2009（10）

[3]吴亢.探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的进展.中国机械，2014（18）