门座起重机端梁和马腿结构多轴疲劳寿命分析

摘要:为分析门座起重机端梁和马腿金属结构开裂原因,针对S3274K12型32 t门座起重机端梁马腿结构,根据实际承载情况,在MSC Patran/Nastran进行的弹塑性有限元分析的基础上,选用Fatemi-Socie模型和Wang-Brown模型作为多轴疲劳寿命分析模型,用MSC Fatigue进行结构多轴疲劳寿命计算,预测结构的疲劳寿命.计算结果与实际使用情况对比表明该方法能较好地应用于港机结构的疲劳寿命计算.

关键词:门座起重机; 端梁和马腿结构; 多轴载荷; 疲劳寿命; 弹塑性有限元分析; MSC Patran; MSC Nastran; MSC Fatigue

中图分类号:TH213.4; TB115文献标志码:A

Multiaxial fatigue life-span analysis on end beam and

horse leg structures of portal crane

CHEN Zuqiang1, SHI Gonghe2, LIANG Gang1

(1.College of Logistics Eng., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China;

2.Shanghai Baosteel Industry Inspection Co., Shanghai 201900, China)

Abstract: To analyze the crack reason of the end beam and horse leg structures,a 32 t S3274K12 portal crane is taken as the study object. According to the actual bearing condition, the Fatemi-Socie model and the Wang-Brown model are chosen as the multiaxial fatigue life-span analysis model based on the elasto-plasticity finite element analysis using MSC Patran/Nastran, the multiaxial fatigue life-span calculation is done for the end beam and horse leg structures in MSC Fatigue, and the fatige life-span is predicted. The comparison of the calculation results with the actual usage facts indicates that the method can be well applied in the fatigue life-span calculation for port machine structures.

Key words: portal crane; end beam and horse leg structure; multiaxial loading; fatigue life-span; elasto-plasticity finite element analysis; MSC Patran; MSC Nastran; MSC Fatigue

收稿日期:2009-[KG*9〗02-[KG*9〗23修回日期:2009-[KG*9〗04-[KG*9〗12

作者简介: 陈祖强(1983―),男,湖北大冶人,硕士研究生,研究方向为现代港口机械设计理论,(E-mail)0引言

门座起重机(以下简称门机)是众多港口从事码头装卸作业的主要机械设备,其技术状况的好坏直接影响装卸生产的进程.因此,保持门机较高的完好率对于港口生产至关重要.门机金属结构的主要作用是承受机构传动部分设备的自重及外载荷,其工作状态直接关系到整体的工作性能与可靠性.根据实际经验,如果港口装卸中门机工作时间较长,部分金属结构,尤其是端梁和马腿处金属结构损坏较为严重,给装卸生产和机械的结构性能带来较大影响.因此,为保证安全高效的生产活动,迫切需要科学分析门机端梁和马腿金属结构的开裂原因,并提出切实可行的维修方案.[1]

实际工程中,许多机械结构和设备在复杂的多轴载荷作用下服役,例如S3274K12型32 t门机的端梁和马腿结构,传统的方法是将多轴疲劳等效成单轴状态,利用单轴疲劳理论解决复杂的多轴疲劳问题,这已不能满足现代结构强度和寿命设计的要求.[2]

基于此,本文使用MSC Nastran进行弹塑性有限元计算,根据多轴疲劳理论利用MSC Fatigue软件对该结构进行多轴疲劳寿命分析,预测结构疲劳寿命,并将计算结果与实际使用情况进行对比.[3-4]

1弹塑性有限元计算

1.1结构模型

根据某公司基建所提供的S3274K12型32 t门机的门架圆筒设计图纸,门机制造所用钢材型号为Q235B,材料基本参数如下:弹性模量E为2E+5 MPa;泊松比为0.3;密度为7 801 kg/m3;屈服极限σs为235 MPa;强度极限σb为450 MPa.

有限元模型中,端梁和马腿结构全部为壳单元,采用常用的4节点四边形单元,其中有162 004个单元,160 232个节点,4个多点约束.几何模型见图1,有限元模型见图2.

(a)几何模型(b)内部结构

图 1几何模型

(a)有限元模型(b)加载模型

图 2有限元模型

1.2材料属性

为尽量准确反映材料的应力应变关系,采用多线性等向强化弹塑性模型描述该起重机的材料非线性特性.应力应变曲线见图3.图 3应力―应变曲线

1.3载荷工况

根据门机日常的实际工作情况,综合考虑门架圆筒结构的受力特点和最不利承载情况.计算中,基于初始结构设计,考虑最大变幅、最大许用吊重、上部臂架结构平行大车轨道方向、风载荷沿平行大车轨道最不利方向施加.如图2,结构顶部刚性节点作用载荷为

Fy(轴向压力):-5.39E+6 N

Mx(弯矩):1.21E+7 N•m

My(扭矩):5E+5 N•m

1.4计算结果与分析

由图4知,在端梁与马界处出现最大应力300 MPa,超出材料的屈服极限,该区域已进入塑性状态,此时的应力―应变关系不再是线性关系,塑性应变成为影响其疲劳寿命的主要因素.因此,基于应力准则的传统单轴疲劳寿命分析方法不再适用,又因该结构实际工作中承受多轴交变载荷,为尽量真实估算该结构的疲劳寿命,选用基于应变准则的多轴疲劳寿命分析方法.

(a)有限元计算结果(b)A处局部放大图

图 4有限元计算结果

2多轴疲劳分析

2.1多轴疲劳理论概述

多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴应力状态下,即2个或3个主应力(主应变)的方向和幅度随时间变化.多轴疲劳分析的方法主要有3种:(1)从静强度理论引申过来的破坏准则;(2)能量法;(3)临界平面法.

目前使用最多的是临界平面法.该方法在参数的选择上不仅考虑应力、应变的大小,还考虑应力、应变的方向,因此其损伤参数更有意义,同时更接近实际状况,为准确预测结构的疲劳寿命提供基础.

临界平面法的疲劳损伤模型很多,考虑到端梁和马腿结构承受的是多轴载荷,有压力、弯矩、扭矩,同时要考虑重力所引起的平均应力对结构的影响,所以疲劳损伤模型选用以下2种:[5-6]

(1)Fatemi-Socie模型.该方法将剪应变幅和最大正应力进行组合建立1个多轴疲劳损伤参量,在该损伤参量中外加1个多轴常数来考虑最大正应力与材料的屈服应力间比值的影响,损伤参量模型如下:Δγ21+nσn,maxσy=(1+υe)Eσ′f(2Nf)b1+nσ′f(2Nf)b2σy+(1+υp)ε′f(2Nf)b1+nε′f(2Nf)b2σy(2)Wang-Brown模型.此方法根据多轴循环计数方法建立1种多轴损伤模型,其模型表达式如下:γmax+Sδεn1+υ′+S(1-υ′)=σ′f-2σn,meanE(2Nf)b+ε′f(2Nf)c2.2疲劳计算

2.2.1载荷工况

根据门机工作时端梁和马腿结构所承受的载荷情况假定轴向压力和扭矩恒幅,同时将最大变幅时的弯矩沿x轴和z轴分解,组成4种载荷工况,分别进行有限元分析.通过MSC Fatigue中的PTIME程序输入和编辑,生成4种载荷历程图,见图5.

图 5载荷历程

将载荷历程图与4种载荷工况下的应力应变分析结果关联,见图6.

图 6载荷信息设置2.2.2疲劳性能参数计算

疲劳性能参数计算采用Manson-Coffin通用斜率法[7]:疲劳强度指数b=-0.12;疲劳延性指数c=-0.6;疲劳强度系数σ′f=1.75,σb=787.5 MPa;根据真实断裂延性εf=ln[1/(1-φ)](其中φ为断面系数,Q235B为60%)可知,疲劳延性系数ε′f=0.5ε0.6f=0.474.

图 7ε-N曲线通过MSC Fatigue的PFMAT程序输入材料力学参数和疲劳性能参数,得到ε-N曲线[8],见图7.

2.2.3结果与分析

采用2种考虑平均应力影响的多轴疲劳计算方法:(1)Fatemi-Socie方法,结果见图8;(2) Wang-Brown-Mean方法,结果见图9.由图可知,依据Fatemi-Socie方法,在111 946节点处出现最短寿命,为4.78E+5次循环.按照Wang-Brown-Mean方法,最短寿命出现在97 142节点处,为4.65E+5次循环.两者均出现在同一区域.

(a)疲劳寿命(b)B处局部放大图

图 8Fatemi-Socie方法计算结果(a)疲劳寿命图

(b)C处局部放大图

图 9Wang-Brown-Mean方法计算结果

该门机1999年起服务于上海某造船有限公司,每天工作24 h,且紧邻黄浦江边,工作环境较为恶劣.到2005年,现场工作人员在端梁与马界处发现裂纹,见图10.据现场了解,按平均10 min/次的工作周期估算,依据Fatemi-Socie方法,此台起重机疲劳寿命是9.1 a,根据Wang-Brown-Mean方法,为8.8 a.实际使用不到6 a,该起重机就发生疲劳破坏.这是因为,影响疲劳寿命的因素很多,而针对这台门机的实际工作情况,本文只考虑主要因素――工作载荷的影响,而省略人为操作、自然环境、腐蚀和材料内部缺陷等因素的影响.另外,弹塑性有限元计算中由于采用多线性等向强化弹塑性模型,因而有限元应力应变计算会比实际小些,上述原因都可能导致寿命预测结果偏大.

图 10端梁与马界处裂纹

3结论

(1)针对端梁和马腿结构进行弹塑性有限元分析,在此基础上,根据多轴疲劳理论对该结构进行疲劳寿命计算.根据结果可知,端梁和马腿结构中寿命最短处出现在应力最高的地方,与实际情况吻合.

(2)对于承受多轴循环载荷的机械结构,采用基于应变准则的多轴疲劳寿命分析方法能较为准确地计算出结构的疲劳寿命.参考文献:

[1]徐才琴, 刘峰. 关于门座式起重机马腿金属机构开焊开裂原因及维修方案的探讨[J]. 港口机械, 2006(5): 34-35.

[2]张卫国, 宓为建, 刘海洋. 基于Zencrack的岸边集装箱起重机圆管构件疲劳裂纹扩展分析[J]. 计算机辅助工程, 2008, 17(1): 16-20.

[3]薛贵林, 宇慧平, 隋允康, 等. 基于MSC Fatigue的脉动真空灭菌器疲劳分析[J]. 计算机辅助工程, 2008, 17(4): 3-6.

[4]尚德广, 王德俊. 多轴疲劳强度[M]. 北京: 科学出版社, 2007: 189-193.

[5]尚德广, 姚卫星. 基于临界面法的多轴疲劳损伤参量的研究[J]. 航空学报, 1999, 20(4): 295-298.

[6]尚德广, 姚卫星. 一种统一的多轴疲劳损伤参量[J]. 固体力学学报, 1999, 20(3): 201-210.

[7]姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 40-42.

[8]周传月, 郑红霞, 罗慧强, 等. MSC Fatigue疲劳分析与应用实例[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 190-227.