基于有限元及断裂力学的起重机结构的疲劳研究

徐 倩 秦皇岛市特种设备监督检验所 河北秦皇岛 066000

【文章摘要】

在工程施工中，常常使用到起重机。起重机对于工程的安全和效率起着很重要的作用。虽然对于起重机的重视度很高，但是起重机仍然多发事故。这是由于起重机本身的物理特性造成的。尤其是起重机经常出现金属结构故障，而这一故障往往是因为局部焊接存在缺陷。所以，要通过对起重机的故障发生的规律进行研究，从而预防起重机事故的发生。本文首先分析了有限单元法及锻炼力学解决故障的思路，然后讨论了建立起重机的有限元模型的环节与步骤，最后说明了起重机的疲劳研究和寿命分析。

【关键词】

起重机；有限元；断裂力学；疲劳研究

1 有限单元法及锻炼力学解决故障的思路

有限元分析是一种十分常见的分析方法，它的核心理念是化繁为简，将较为复杂的问题转换为较简单的问题后再进行解决。在有限元的求解域中，有许多划分层级更小的子域，这些子域构成了整个有限元的求解域。如果有限元的每一单元中存在一个较为简单合理的近似解，那么通过推导可以得出该求解域总的满足条件，比如起重机结构的满足条件，然后再通过归纳和演绎得出问题的解。但是要注意得出的解并不是完全准确的，而是近似的解，这是因为实际中的问题不是直接进行分析的，而是通过利用较为简单的问题代替后得出的解。采用有限元的好处在于实际情况中很难得出准确的解，但是有限元在计算的精度方面具有很大的优势，而且能够被利用于各种复杂的工程中，所以它的使用在很多实际工程的施工中都具有很重要的作用。与其他的数值方法进行比较，有限单元法拥有很多独特的优势。首先，有限单元法在概念上比其他方法更加明确和清楚，能够方便的将实际问题进行简化处理，即使是十分复杂的工程问题，比如起重机扩展的边界条件以及起重机材料的特性等都能够进行精确而简单的转换，这样就方便工作人员灵活的应用这一方法进行问题的分析和处理。工程问题的分析中采用有限单元法能够利用多单元和曲边单元这些因子来进行复杂边界以及具有连续域的问题的解决。在这一过程中，需要注意计算方法的环节和步骤，一是要对起重机的实际结构进行计算模型的构建，二是要对起重机的结构载荷条件以及其边界条件进行明确，三是要对计算软件进行选择和合理的使用。

2 建立起重机的有限元模型的环节与步骤

在建立起重机的有限元模型时，首先要进行单元剖分。具体来说，就是要起重机的工程结构进行离散处理，转换为计算模型，这一模型是由各种单元组成。进行离散处理后，起重机各个单元之间的联系由节点构建起来。每个单元节点需要进行一系列的分析。一是设置的方面，二是性质的方面，三是数目的方面。这三个方面需要进行精确的计算。如果各个单元在结构上划分的越精细，那么对于变形情况就能够描述的更加精确，从而就越靠近实际的工程情况，不过这样的计算量很大。因此，在利用有限元进行结构的分析时，不能直接对起重机的具体构建进行分析，而需要将其分解离散然后进行单元模型的划分，再对每个单元模型进行分析后再综合进行计算和分析。所以采用这一方法计算出的结构只能靠近实际值。而且需要明确的是，如果单元划分的越多，那么最后综合出来的计算值就会越精确。在一般情况下，起重机的主梁采用的是板壳结构，这一结构承受着空间的力系，因此如果发生变形的情况，除了在平面上会变形之外，还会产生较为复杂的变形，所以在利用有限元方法进行模型的构建时一般要采用三维壳单元来进行构建。

3 起重机的疲劳研究和寿命分析

在起重机的金属结构中，该结构一般存在着很多零散的部件，尤其是焊接节点，不仅数量上非常多，而且在形状上也各有不同，并且类型也千差万别。这就造成了采用有限元分析法使用上存在计算量大的现象。由于节点众多，而各个节点在承受载荷时各不相同，所以在进行起重机金属结构疲劳的分析时需要采用较为复杂的环节。从目前的技术水平来看，有两种疲劳强度的校核方法比较易于分析起重机的疲劳和寿命。一是谱分析法，二是有限元分析法。这两个方法在分析起重机的疲劳和寿命上最为完善和精确，但是缺点是步骤比较多，计算量很大，所以需要在比较复杂的工程施工中进行具体的实施是非常困难的。所以，必须在实际的工程施工中找到一种不仅计算简单，而且计算结果相对精确的方法来应用到实际的情况中。这就需要应用相应的软件来配合使用，保证计算过程和计算量更加少，花费的时间更加短。在起重机的实际运行过程中，其金属结构的疲劳在本质上是高周疲劳，这就可以应用疲劳寿命分析系统软件来对桥架的整体结构进行疲劳的有限元分析。在使用这一系统软件时，还需要搭配采用的是S—N 总寿命分析法。这一分析法的基础是材料的应力以及零件的应力。其理论结构一是雨流循环计数法，二是线性累积损伤理论, 综合这两者对起重机的疲劳寿命进行全面的分析。从具体的分析过程来看，全寿命分析能够对平均应力以及置信参数进行选择，从而进行修正处理，然后将这些不同的分析参数利用S-N 曲线进行分析。起重机的材料在应用到S-N 曲线时需要指定材料表面的处理方法，一是抛光处理的方法，二是热处理的方法。采用这一曲线分析时，能够配合计算机进行仿真的模拟，根据疲劳云图可以清晰的看到起重机整体的桥架结构以及其疲劳寿命的分布状态，然后利用这一云图可以计算出桥架结构的使用寿命，最后对结构的允许使用周期进行较为准确的确定。总体上来说，这一分析步骤包括两点，首先利用疲劳寿命分析系统进行有限元分析模型的建立，生成有关的分析数据。其次运用有限元软件对桥架结构和零散部件进行分析，从而计算出起重机的疲劳寿命。

4 小结

对起重机的疲劳寿命研究具有十分重要的意义，它能够判断起重机的故障程度和使用寿命，从而预防工程事故的发生。在起重机的金属结构中，该结构一般存在着很多零散的部件，尤其是焊接节点，不仅数量上非常多，而且在形状上也各有不同，并且类型也千差万别。这就造成了采用有限元分析法使用上存在计算量大的现象。采用相应的分析软件进行配合使用能够有效的缩小工作量，方便分析和研究。

【参考文献】

[1] 谢敏，张安哥．起重机焊接箱形梁的疲劳分析与寿命估算[J]．华东交通大学学报，1993，10（4）：30-42

[2] 马钿英, 王家林. 机械工程结构强度计算有限元基础. 吉林科学技术出版社，1990

[3] 侯澍昱, 李友荣, 肖涵, 刘光临. 子模型技术在铸造起重机强度分析中的应用[J].2004，48（6）： 7-10

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