探究起重机械疲劳断裂可靠性分析的进展

吴亢

摘要：起重机在使用的过程中，由于受到各种因素的影响，起重机的疲劳度将会受到严重的破坏，这严重地影响着起重机的安全使用，本文对起重机的疲劳断裂进行了分析，总结了当前发展的状况。

关键词 起重机械；疲劳；可靠性

1.引言

起重机械已经成为工业生产中不可缺少的重要运输设备，被广泛的应用于各种物料的运输作业中，从而极大减轻了体力劳动强度，提高了劳动生产率，起重机的吊运物是多种多样的，载荷是变化的，其作业环境非常复杂[1]，在使用寿命内的总应力循环次数在数百万次甚至千万次以上，实践证明，钢材在连续重复的变化载荷的作用下，起重机械的疲劳极限是不可能超过强度极限，甚至低于屈服强度，也有可能发生破坏，因此，起重机械的主要受力结构件中，应力集中程度较高的部位的疲劳强度将会受到破坏，这将导致在起重机械的使用过程中存在疲劳失效的危险。

2.起重机械的疲劳断裂

起重机械的金属结构是起重机的重要组成部分，承受着起重机的各种载荷和自重，且金属结构通常是在循环载荷或随机载荷作用下工作，起重机械的各种部件中，最常见的破坏形式就是疲劳断裂。疲劳的破坏机理，简而言之为在连续反复载荷作用下，首先出现微观裂纹，然后在交变载荷的作用下出现裂缝，裂缝不断扩展，直到突然破坏或脆性断裂。

疲劳只有在交变载荷的作用下才会发生。在交变载荷的反复作用下，某些点处首先被破坏，长时间的使用后，形成宏观裂缝，裂缝不断的扩展，直到临界状态而发生完全断裂。起重机械在发生疲劳断裂的过程中经历了3个阶段，即裂纹的产生、裂纹的扩展和断裂阶段。裂纹失稳断裂阶段裂纹的扩展比较快，对寿命的影响相对而言较小，可以忽略掉，因此疲劳裂纹总寿命包括裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分[2]。

疲劳断裂的危害是非常大的，与静力所造成的破坏有着极大的不同。疲劳断裂破坏的发生通常比较突然，而且应力相对较小，所以疲劳断裂破坏一旦发生将会造成重大事故，尤其是已经服役多年的起重机械。因此，对起重机械疲劳断裂可靠性的分析，对疲劳寿命的评估是非常必要的，这对起重机械的安全使用具有非常重要的意义。

3.起重机械疲劳断裂可靠性分析的发展现状

起重机械的疲劳断裂，是损伤长期积累的结果，一般在发生疲劳断裂之前，并不会有明显的变形，很难发现损伤的存在，因此疲劳断裂的发生具有突然性，其后果通常也将是灾难性的。

随着我国经济的快速发展，起重机械的应用也十分广泛，但是所发生的事故率也在不断的上升。而由于起重机械疲劳断裂所引起的事故已经占全部工业事故的13%左右。由此可见，研究起重机械的疲劳断裂可靠性，估算出在用起重机械的疲劳寿命，对防止起重机械疲劳断裂事故的发生起着积极地作用[3]。

疲劳的研究最早是在19世纪初开始于德国，经过几代人的不断努力，发展至今，疲劳寿命评估已经广泛应用到现代工业生产的各个领域中。1961年Paris公式的提出，成为了估算裂纹扩展寿命的有力工具，其后断裂力学快速发展，尤其以线弹性断裂力学发展较为成熟，为研究疲劳断裂可靠性提供了理论基础。

相对于国外，我国对疲劳的研究起步比较晚，开始于20世纪50年代，而且由于基础较差而发展较慢，研究水平相对落后。1978年疲劳会议的召开极大的推动了疲劳理论的快速发展。

当前用于疲劳寿命评估的计算方法主要包括名义应力法、断裂力学法、局部应力应变法和计算机仿真分析法。

名义应力法是以金属的S-N曲线为理论基础，最早应用于航空、起重机械、桥梁等行业。该方法计算简单，发展成熟，有可借鉴经验和数据，但是这种方法忽略了缺陷根部塑性变形和加载顺序的影响，存在一定的经验性和随意性，估算结果误差太大。

断裂力学法解决了名义应力法的缺陷，以断裂力学为基础对裂纹扩展进行评估。该方法可描述裂纹发展的过程，从理论上而言，比常规方法更加合理，但是存在经验性数据不精确的缺点，而且因为实际应力复杂、裂纹难以判定等因素使得计算误差比较大。

局部应力应变法是当前最有效的寿命评估方法，当前已经应用到航空、焊接结构、起重机械等的疲劳寿命评估中。但是局部应力应变法不适用于高强度疲劳计算，材料参数的离散和计算公式的经验性使得计算精度变差。

近几年来，国内外研究者一直在努力寻求更加准确的概率可靠性分析方法，并把一些新的理论和新的方法引入到起重机械疲劳断裂可靠性分析中，为起重机械的疲劳断裂应用提供了许多新的估算方法，从而逐步发展成了随机有限元、基于神经网络的可靠性模型等 [4]。

随机有限元法是近20多年才发展起来的一种工程数值计算方法，由于该方法把随机参数的影响考虑在内，被广泛应用于计算金属结构的可靠度、动力问题、非线性问题及复合材料力学等。随着起重机械疲劳断裂理论的不断发展，该方法也被逐步的应用于起重机械的疲劳断裂可靠性分析方面。因為起重机械的工作环境复杂，受到许多不确定因素的影响，局部应力应变相应也是随机的，随机有限元法是随机结构分析最有力的工具。

在疲劳断裂可靠性进行分析的过程中，工程实际问题已经很难利用显式极限状态方程失效概率获得解决，为此疲劳断裂可靠性分析研究者发展了响应面法，虽然对隐式极限状态方程的设计点有一定的逼近能力，但是其固定不可调的函数形式影响了其普遍适用性。研究者开始利用神经网络对函数近似的普遍适应性，用神经网络函数近似代替固定函数形式的传统响应面法，从而提高了解决非线性隐式极限状态方程疲劳断裂可靠性分析问题的能力。神经网络响应面法不仅思路简单，易于编程，而且计算精度有较大幅度提高。

因此，可以说神经网络响应面法是隐式极限状态方程疲劳可靠性分析的很好的方法。

4.总结

本文对当前常用的疲劳寿命评估的方法进行了分析，总结了各种方法的优缺点，并对当前起重机械疲劳断裂可靠性分析的发展情况做了研究，为疲劳断裂可靠性的分析指明了方向，从而减少了起重机械事故的发生。

参考文献：

[1]王福绵.起重机械技术检验[M].北京：学苑出版社，2000.12

[2]张新峰.起重机桁架臂疲劳全寿命评估与分析[D].大连，2013.6

[3]陈卫国.试论起重机械疲劳断裂可靠性的新进展[J].石家庄：科技风，2012.11.15

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