塔式起重机钢结构疲劳寿命的有限元分析

杨子集

[摘要]随着建筑业的发展，在用塔式起重机（以下简称塔机）数量不断增加，塔机事故也频繁发生。对现场多起事故分析发现：造成事故发生的原因有很多，但是有相当部分是由于塔机的结构件存在缺陷或超期使用而引发的疲劳破坏。目前对塔机的报废没有统一标准，所以确定在役塔机能否继续服役，还能服役多长时間已成为急需解决的问题。介绍以名义应力法为基础预测塔机剩余寿命的主要步骤，给出了利用有限元法与疲劳寿命分析软件MSC/FATIGUE 相结合预测塔机金属结构剩余寿命的方法与思路。

[关键词]塔式起重机；使用寿命；有限元法

1 疲劳寿命计算方法

疲劳寿命计算方法可分为3 种：名义应力寿命法、局部应变寿命法和裂纹扩展计算方法。由于塔机在运行中所经历的载荷历程，其最大应力远低于材料的比例极限，其变形均为线弹性变形，处于低应力高频疲劳状态。所以塔机金属结构疲劳属于高周疲劳。估算高周疲劳寿命常用方法是名义应力法[1]。其基本思路是：从材料的S-N 曲线出发，考虑各种影响系数得出构件的S - N 曲线，结合实测应力谱，按照线性累积损伤理论即Miner理论及其派生出来的寿命估算式进行估算，再结合塔机的结构状态进行综合分析，估算出起重机的安全使用寿命。名义应力法进行疲劳寿命预测的步骤如下。

1）有限元分析确定结构中的疲劳危险部位。

2）求出危险部位的名义应力和应力集中系数。

3）根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱。

4）应用插值法求出当前应力集中系数和应力水平下的S -N 曲线，查S -N 曲线。

5） 应用疲劳损伤累积理论，求出危险部位的疲劳寿命。

2 塔机结构有限元分析

2.1 塔机模型及载荷的简化

在结构的力学分析中，主要分析塔身、吊臂和塔顶的杆件受力。塔身杆件和吊臂杆件占塔机杆件数目的主要部分，而塔机有限元分析数据前处理的关键就是有效地简化塔机模型，简化塔身、吊臂和塔顶的数据。

根据设计规范的规定，塔机必须在材料的弹性范围内工作，所以对一般的塔机分析只要求对其进行线性分析，不考虑非线性因素。作用在塔机上的载荷主要分为：自重载荷、起升载荷、冲击载荷、变幅载荷、风载荷、温度载荷、特殊载荷等。按照塔机设计规范简化并计算各种载荷。

2.2 塔机有限元分析

随着计算机的快速发展，有限元法已成为塔机结构分析中最有效的数值分析方法。当前国内使用较多的有限元分析软件有：A N S Y S 、N A S T R A N、S A P 8 4、A D I N A 等。采用某种有限元分析软件，经过创建塔机有限元模型、划分网格、加载及求解等一系列操作，便得到塔机在各工况下的受力情况。

3 基于MSC/FATIGUE 的塔机剩余寿命预测

3.1 疲劳寿命计算方法

计算塔机的疲劳寿命可采用名义应力法。疲劳分析软件MSC/FATIGUE 主要分析功能之一就是根据S-N 曲线进行总寿命评价分析（图1），这是最传统的总寿命分析法。这种方法对裂纹的产生和扩展不加以明确的区分，能够预测到有较大的损伤或破坏为止的总寿命。该方法是一种应用最广泛也是最成熟、最安全的疲劳寿命估算法，它能保证一般的工程精度。

图1 设置S-N 分析方法

3.2 基于MSC/FATIGUE 软件疲劳寿命分析

以下是塔机基于MSC/FATIGUE 软件的疲劳寿命分析步骤。

1）有限元分析结果导入 疲劳分析需要从有限元模型获取应力或应变结果。M S C / F A -TIGUE 软件提供丰富的软件接口，数据可以来自：A B A Q U S 、A N S Y S 5 、M S C / M A R C 、M S C /NASTRAN 等。选择分析类型，然后将前面有限元分析软件输出的结果文件导入M S C / F A -TIGUE 中。

2）分析设置 选择“Analysis”功能模块进行参数设置，选择分析方法（如图1 所示的S-N全寿命法）、结果位置、节点平均等各项参数。

3）材料属性设置 按照起重机金属结构设计规范，参照结构疲劳寿命估算的一般原则和我国钢结构材料的试验数据，编制塔机所用材料的S - N 曲线。

4）载荷谱分析 经分析，塔机所承受的载荷属于随机载荷。承受随机载荷的塔机，在进行疲劳强度计算、寿命估算和疲劳试验之前，必须先确定载荷谱。对塔机历史工况进行统计分析（疲劳强度设计广泛采用循环计数法），构建相应的统计载荷谱。此外，也可以应用计算机仿真软件ADAMS 进行动力学仿真，把最后输出.dac 文件（dac文件是测试数据的一种工业标准，包含一种载荷工况的时间历程）导入疲劳寿命分析软件M S C / F A T I G U E 中。

5）运行疲劳分析 将创建的载荷谱与有限元载荷工况相关联后再进行疲劳寿命分析。成功运行后便可得到生成的寿命结果列表、寿命结果云图等信息。图2 为某塔机的寿命结果云图。根据寿命结果云图和列表，可以得到该塔机的最小寿命。

图2 塔机寿命结果云图

3.3 塔机剩余寿命预测

运用S-N 法计算出某塔机的最小寿命，也是该塔机的全寿命。要计算其剩余寿命，需要统计出塔机的历年工作的情况。准确统计塔机在历年工作的情况是很困难的，需要操作工人记录每次起吊情况，不太可行。可以在现场进行短期的观测并作记录，通过对数据统计分析得到其历年工作情况，也可以参考塔机租赁行业按工作量收取租金的办法来计算塔机一年的工作天数。注意这里统计出的时间单位要与有限元分析中得出的寿命单位一致。比如有限元软件算出的结果是以天为单位，已使用情况统计出的时间也要以天为单位。由软件计算出的最小寿命和历年工作时间便能得到塔机的剩余寿命。

4 结 论

本文采用有限元分析软件与疲劳分析软件M S C / F A T I G U E 相结合方法预测塔机的剩余寿命，为在役塔机的安全评估又提供了一种新方法。此方法的研究，为在役塔机能否继续服役、还能服役多长时间提供参考。

[参考文献]

[1 ]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M ].北京：国防工业出版社，2004.

[2]王勖成，邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]GB 3811-83.起重机设计规范[S].