塔式起重机耳板件疲劳断裂行为研究

马晓春，姚炜杰，王 铮，韩 勇，陈兴阳，周成双

(1.浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014；2.首都航天机械公司，北京 100076；3.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)



塔式起重机耳板件疲劳断裂行为研究

马晓春1，姚炜杰1，王 铮2，韩 勇1，陈兴阳3，周成双1

(1.浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014；2.首都航天机械公司，北京 100076；3.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

塔式起重机在受载过程中，其耳板发生断裂.为明确其断裂机制，对耳板件进行了显微组织和断口形貌观察、材料力学性能测试和有限元数值分析.结果表明：耳板材料性能满足设计要求，耳板的断裂形式为疲劳断裂，裂纹萌生于耳板内侧转折处；有限元分析得到了耳板与主弦杆的焊接构件在耳板内侧转折处存在明显的应力集中.改进主弦杆端部与耳板间的焊接方式，可以改善其应力分布状况，减小应力集中，从而有效降低构件的断裂风险.

耳板；应力集中；有限元分析；疲劳断裂

塔式起重机是建筑行业中常用的起重设备.耳板件是塔式起重机的重要受力构件，其强度关系到起重机的可靠性和安全性能[1-2].某厂家塔式起重机在受载时，其碳钢耳板发生了断裂.为研究其断裂机制，避免此类事故的再次发生.对耳板件进行了显微组织和断口形貌观察、材料力学性能测试.并采用有限元软件分析，得出耳板件受载时的应力云图，通过应力云图更加直观和快速分析被分析部件的应力及变形情况，并基于此探究耳板件的疲劳断裂行为[3-4].基于有限元计算，提出对耳板件结构的改进措施，以优化耳板件的应力分布状态.

1 实 验

断裂的耳板实物图如图1所示.根据金属显微组织检验方法对耳板材料进行取样，取样位置为断面以下10 mm的区域，取样范围与裂纹面区域平行.然后使用金相镶嵌机对试样进行镶样处理，采用金相砂纸对试样打磨，并用W1的金刚石抛光剂进行机械抛光，用4%的硝酸酒精对试样进行金相侵蚀，并在光学显微镜下观察.根据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》对耳板材料进行力学性能分析测试.对表面平整的一处断口进行取样，并去除表面的腐蚀产物，采用扫描电镜观察其表面形貌，分析裂纹类型，揭示断裂行为并探讨优化方案.采用abquse软件对耳板结构件进行有限元计算分析，得出耳板件在不同受载条件下的应力分布图，并对经优化后的耳板件进行有限元计算，以评估优化方案的可行性.

图1 断裂的耳板件Fig.1 The fracture ear plate

2 结果与讨论

2.1 材料显微组织及力学性能分析

在光学显微镜下，对试样的多个区域进行观察，其金相显微组织如图2所示.材料组织为铁素体和珠光体组织，夹杂物较少.

图2 耳板材料显微组织图Fig.2 Metallography of the ear plate

耳板材料的力学测试结果如图3和表1所示，拉伸曲线屈服平台清晰，曲线规则.材料的屈服强度为287 MPa，抗拉强度为431 MPa，延伸率37%，断面收缩率59%.其拉伸性能满足Q235所要求的屈服强度大于235 MPa，抗拉强度大于375 MPa，延伸率大于26%的要求.

图3 耳板材料拉伸曲线 Fig.3 Tensile curve of the ear plate material

试样编号试样1试样2试样3平均值屈服强度/MPa285.10285.88290.95287.31抗拉强度/MPa432.40432.08430.62431.70延伸率/%36.6038.2037.2037.33断面收缩率/%53616359

2.2 断口形貌分析

断口的宏观形貌如图4所示，断口在左侧上下两角处呈现同心圆弧发射形状，这与疲劳裂纹在疲劳区的宏观形貌一致[5].一般这一区域称为贝纹区[6]，同心圆的圆心所在区域为疲劳源，也就是疲劳裂纹萌生区，该裂纹面上有两个疲劳源.利用扫描电子显微镜对断口上的各个区域的进行形貌观察，其显微结构如图5所示.图5(a)为其中一个疲劳源的显微形貌，该区域呈现出塑性变形和台阶状裂纹混合形貌.图5(b～e)都呈现出波纹状台阶形貌，这是典型的疲劳裂纹形貌[7]，这一形貌产生的原因是材料在垂直于受力方向上产生裂纹，当材料受载时，裂纹尖端会产生应力集中，这样会使裂纹尖端所承受的拉应力大大超过材料所受的宏观应力，并造成裂纹的扩展，裂纹扩展一小段距离后由于位错塞集，裂纹扩展停止，并在卸载后裂纹闭合，当材料再次受载时，裂纹又会发生短距离的扩展，由于后一次扩展并非沿着原扩展位置，所以在两次扩展的起止处会形成一个台阶[7].b区、 c区 、d 区和e区都是疲劳裂纹扩展区；f区呈现韧窝状的韧性断口特征，图5(f)的微观形貌为韧窝状裂纹，这与材料发生塑性变形并断裂的形貌一致[8-9]，因此可以判断f区为瞬断区，当疲劳裂纹扩展到一定程度，该零件的承载值超过了为扩展部分所能承受的最大载荷时，发生的裂纹失稳扩展，形成零件瞬间断裂的断口.

图4 断口宏观形貌Fig.4 Macroscopic fracture morphology

图5 断口微观形貌Fig.5 Microscopic fracture morphology

2.3 有限元分析

应力云图可以更加直观和快速分析受载部件的应力及变形情况，为得到耳板件在受力时的应力分布状态，可以通过对耳板和主弦杆构件三维模型的建立，然后采用abquse软件对耳板结构件进行有限元计算分析，得出耳板件的应力云图.由于该耳板件与主弦杆间垂直位置的焊接质量较差，其焊接主要起封闭端口的作用，对构件的承载作用有限，可将耳板机构件和主弦杆结构简化[10-13].采用八节点三维结构实体单元对耳板结构件进行网格划分，其网格划分如图6所示.材料的力学性能参数根据图3中的拉伸曲线设定，将耳板一端和弦杆端固定，在耳板孔处施加拉力.拉应力为设备满载时该结构件的承受载荷，该载荷为耳板两侧截面最小位置处受到平均应力为120 MPa时的受载值，得到的耳板结构件的应力云图，如图7所示.

图6 耳板件模型Fig.6 The ear plate model

图7 耳板结构件的应力云图Fig.7 Stress nephogram of the ear plate

由应力云图7可知：在拉伸状态下，耳板内侧转折处的应力增大，并造成焊缝延长线上的耳板内侧(即红色圆圈所在区域)会发生应力集中，该位置与耳板的实际断裂位置相同，这表明该模型的建立与实际工况一致.该区域所承受的应力为292 MPa，已经超过了材料的屈服强度287 MPa.设备在吊装设备时不断处于交变载荷作用下，在设备满载时，其局部受力已经超过了材料的屈服强度，从而造成该

区域的位错滑移，在长期的交变载荷作用下，该区域会逐渐出现加工硬化现象，并造成材料的塑性下降，最终诱发疲劳裂纹的萌生[14]，裂纹萌生后，在裂纹尖端处会产生一个更大的应力集中，在该零件长期处于加载卸载的交变载荷时，就会造成疲劳裂纹的扩展.当材料所承受的应力超过未产生裂纹区域的抗拉强度时，裂纹会发生失稳扩展，并造成零件的瞬间断裂.

耳板件在实际使用时，其可能处于非满载、过载甚至严重过载的工况条件下.该构件在非满载、过载以及严重过载的情况下的应力云图，如图8所示.随着载荷的增加，应力集中区的范围增大，应力值升高.这表明随着载荷的升高，其疲劳裂纹萌生的孕育期缩短[15].当该设备承受的0.8倍荷载时，该区域的峰值应力为288 MPa，依然高于该材料的屈服强度，这表明即使在非满载情况下，该结构依然存在疲劳失效的可能性，并且材料过载时，会缩短材料发生疲劳断裂的孕育期.

图8 耳板件受不同载荷时的应力云图Fig.8 Stress nephogram of the ear plate subjected to different loads

为改善耳板件受载时的应力分布状态，降低焊缝延长线上的耳板内侧发生疲劳失效的概率，对耳板与主弦杆结构进行优化.图9为耳板与主弦杆接触面进行完整焊接后的应力云图.从图9(b)中可以看出，该区域的峰值应力从原来的292 MPa降低为238 MPa，已经大大低于了材料的屈服强度.图9(c)是该结构承受0.8倍荷载时的应力云图，此时的应力为202 MPa，当超载到1.3倍时，峰值应力为288 MPa，与屈服强度相当.并且该区域分布方向与外加应力方向一致，其与应力集中区域分布方向垂直与外加载荷方向相比出现疲劳裂纹的风险更低.由此可见，将耳板与主弦杆连接处完整焊接可以有效改善该区域的应力集中状况，降低该结构发生疲劳断裂的风险.

图9 完整焊接后的耳板件受不同载荷时的应力分布图Fig.9 Stress nephogram of the whole welding ear plate subjected to different loads.

3 结 论

通过对耳板的材料分析、断口形貌分析和有限元模拟计算，结果表明：耳板材料合格，断裂裂纹为典型的疲劳裂纹，耳板断裂为交变载荷引起的疲劳断裂；耳板与主弦杆的结构设计存在缺陷，会造成耳板内侧转折处出现明显的应力集中，即时在不超载的情况下也存在疲劳断裂的风险；通过将耳板与主弦杆接触面完整焊接的方法可以有效减小该区域的应力集中状态，降低疲劳断裂的风险.

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(责任编辑：刘 岩)

Research on fatigue fracture behavior of a tower crane’s ear plate

MA Xiaochun1, YAO Weijie1, WANG Zheng2, HAN Yong1, CHEN Xinyang3, ZHOU Chengshuang1

(1.College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076, China；3.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Under load process, its ear plate portions of a tower crane is broken. To explore the mechanism of fracture, a series of tests were performed to the failure parts, such as metallurgical analysis and scanning electron microscopy observation and extension test and finite element analysis. The results show that the ear plate material properties meets the design requirements, and ear plate fracture is in the form of fatigue fracture, crack initiation in the inner turning area of the ear plate. Finite element analysis results show that the ear plate and main chord welding structure of obvious stress concentration at the inner side of the turning point of the ear plate. Improving the welding manner of the ear plate and main chord can improve the stress distribution and reduce the stress concentration, avoiding the fatigue fracture.

ear plate; stress concentration; finite element analysis; fatigue failure

2016-03-03

马晓春(1967—)，女，浙江富阳人，副教授，研究方向为材料与表面工程，E-mail：zgdmxc@163.com.

TG146

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1006-4303(2016)05-0575-05