岸桥大车平衡梁疲劳寿命预测

摘要：针对大车平衡梁裂纹的出现易导致岸桥疲劳事故的问题，基于虚拟疲劳设计方法，用MSC Patran分析大车平衡梁的静强度，用MSC Fatigue对大车平衡梁进行指定载荷历程下的疲劳分析，得到疲劳寿命分布云图，直观显示出结构各个部分的疲劳寿命，从而为岸桥大车平衡梁结构设计的改进和疲劳预测提供参考.

关键词：岸桥；大车平衡梁；疲劳分析；寿命预测

中图分类号：TH213.8；TB115.1 文献标志码： B

Fatigue life prediction of cart balance beam of

shore container crane

LIAN Shusheng1,ZHANG Fengfeng2, DONG Dashan1, TENG Yuanyuan1

(1.Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;

2.Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract： As to the problem that the appearance of cart balance beam cracks easily lead to fatigue accidences of shore container crane, based on virtual fatigue design method, the static strength of cart balance beam is analyzed by MSC Patran, the fatigue analysis under specified load course is performed by MSC Fatigue, and the fatigue life distribution contour is obtained, by which the fatigue life of various parts are intuitively displayed. The results can provide reference for the structure improvement and fatigue prediction of cart balance beam of shore container crane.

Key words： shore container crane; cart balance beam; fatigue analysis; life prediction

作者简介： 廉书生(1986—)，女，辽宁义县人，硕士研究生，研究方向为物流搬运设备及技术，（Email)elaine_energy@126.com0引言

岸桥的金属构件承受交变载荷，其主要的失效形式为疲劳破坏(损伤).平衡梁是岸桥的关键组成部分之一，对整机的安全起重要作用，平衡梁裂纹的出现是岸桥疲劳事故的形式之一.在设计时，由于对理论与应用在理解上存在差异，会产生计算误差；司机在使用岸桥时不规范操作，经常超载，易造成岸桥事故发生.由疲劳失效导致的事故所造成的人员伤亡和财产损失相当大.［1］

现场检测的方法主要有超声波探伤法、红外线检测法、巴克豪森法、光纤测试法和涂漆法等.现场检测方法虽然操作简便、直观，但费用昂贵.虚拟疲劳设计方法根据有限元法获得的应力、应变结果进行疲劳寿命分析，在国外一些著名企业中得到重视，在机械产品设计开发中发挥巨大作用，取得显著的经济效益：一方面，可以大大缩短产品开发周期、优化产品结构、降低产品成本；另一方面，可以让用户对产品的使用和维护采取更有针对性的措施，达到延长设备使用寿命、保证设备正常运行、预防设备事故的目的.虚拟疲劳设计方法具有广阔的应用前景.［2］

本文基于上述思想，以岸桥大车平衡梁为研究对象建立有限元模型，得到可视化的应力分布，然后建立岸桥大车平衡梁疲劳寿命评估体系，得到各部分的寿命分布，为其在设计阶段进行针对性的改进和疲劳研究提供依据.

1名义应力法

名义应力法［3］主要用于计算弹性变形居主导地位的高周疲劳寿命.首先，需根据载荷谱确定零件危险部位的应力谱；然后，采用材料的SN曲线计算结构危险部位的应力集中因数，通过插值将材料的SN曲线转换为零件的SN曲线；最后，根据由载荷谱确定的应力谱结合Miner线性损伤累积规则［4］，计算零件寿命.名义应力法疲劳寿命估算步骤见图1.

图 1名义应力法疲劳寿命估算步骤

Fig.1Fatigue life estimation steps of nominal stress method

名义应力法的依据是著名的PalmgrenMiner线性累积损伤规则. 该规则假定：(1)在任意给定的应力水平下，每次循环产生等量的损伤；(2)累积损伤速度与以前的载荷历程无关；(3)加载顺序的变化不影响疲劳寿命.

MINER认为：在循环载荷作用下，疲劳损伤可以线性累计，当累计的损伤达到某个数值时，试样或构件就会产生疲劳破坏.

如果试样的加载历史由σ1,σ2,…,σn等n个不同的应力水平构成，各应力水平下的疲劳寿命依次为N1,N2,…,Nn，各应力水平下的循环次数依次为n1,n2,…,nn，则损伤D=ni－1ni/Ni（1）式中:ni为第i级应力水平下循环次数；Ni为第i级应力水平下疲劳寿命.当D=1时，试样所累计的损伤达到极限值，试样发生疲劳破坏.

2岸桥大车平衡梁的疲劳分析算例

2.1有限元模型的建立

结合厂方提供的数据，本例岸桥机型重65 t，轨距S=30.48 m，基距B=13.65 m，在三维软件Pro/ENGINEER中建立大车平衡梁有限元模型，然后以igs格式导入到MSC Patran［5］中进行静强度分析.大车平衡梁的外观和内部结构见图2和3.平衡梁采用Q345材料，材料性能参数为弹性模量E=205 GPa，泊松比μ=0.3，强度极限σb=586 GPa.

图 2大车平衡梁的外观

Fig.2Appearance of cart

balance beam图 3大车平衡梁的内部结构

Fig.3Internal structure of

cart balance beam为使网格获得一定的精度和质量，采用十节点四面体单元进行网格划分，得到9 702个节点和40 388个四面体单元.平衡梁所承受的主要载荷为腿压，依据相关的数据参数，其计算的最大腿压约为583.9 t.

对岸桥进行相关的静力学分析参数设置，得到大车平衡梁的应力分布，见图4.

图 4大车平衡梁的应力分布

Fig.4Stress distribution of cart balance beam

2.2疲劳特性曲线

材料SN曲线的获得方法有很多种，既可从材料库中查取，也可用试验获得的数据手工输入.

在疲劳安全寿命估算中，最好使用实际零件的SN曲线，但在初始设计阶段，真实的零件尚未加工成型，而平衡梁结构质量和体积比较大，因此不能通过对实际零件进行试验来测得SN曲线［6］；另一方面，在进行有限元静力分析时，已考虑应力集中系数的影响，这时可以用材料的SN曲线进行寿命估算，故本文采用置信度为50%的Q345材料的SN曲线，见图5.

图 5置信度为50%的Q345材料的SN曲线

Fig.5SN curve of Q345 material of which confidence is 50%

2.3疲劳载荷谱

一般地，机器和零件承受的载荷大多是连续的随机载荷.本文岸桥承受的也是连续的随机载荷，因此，在进行寿命估算前先确定其载荷谱.

在大梁水平时，小车吊载从外伸距运行到后伸距，卸载后空载从后伸距再运行到外伸距，称为一个循环.

(1)大车不动，小车满载在最大外伸距起动；

(2)大车不动，小车满载在最大后伸距制动；

(3)大车不动，小车空载在最大后伸距起动；

(4)大车不动，小车空载在最大外伸距制动.

疲劳载荷规定如下：在进行疲劳分析时，需考虑岸桥自身重力，吊具和小车自重以及作用在小车上的起、制动惯性载荷.

岸桥坐标示意见图6.

图 6岸桥坐标示意

Fig.6Schematic diagram of shore container crane coordinates

根据材料力学中力的平移合成原理，岸桥的4个支腿的垂向支撑力计算的普遍公式为Rz1=N4－Mx2B+My2S

Rz2=N4+Mx2B+My2S

Rz3=N4－Mx2B－My2S

Rz4=N4+Mx2B－My2S （2）式中：Rz1,Rz2,Rz3和Rz4分别为4个支腿的垂向支撑力；N为大车支腿中心O的轴向（沿z轴）载荷；Mx,My分别为向支腿中心平移后得到的绕x轴或y轴的弯矩.

岸桥各部分自重和所受载荷的大小与位置即计算支腿垂向支撑力的数据见表1.

表 1计算支腿垂向支撑力的数据

Tab.1Data for calculating vertical force of outrigger岸桥及其部件载荷/kNx向位移/mz向

位移/m岸桥前大梁和附件小车吊重小车自

重11 762.452 164.28274.40833（满载）196（空载）惯性

载荷92（满载）37（空载）9.5362.06外伸距95.5后伸距-15.0外伸距95.5后伸距-15.042

结合表1中的数据，分别计算在一个循环中4种情况下海侧支腿的垂向支撑力，具体求解过程参见《港口起重机设计规范》［7］.将得到的数据输入软件中，在Number of Fatigue equivalent units中输入3，在Fatigue equivalent units中输入min来定义一个此信号的单一事件为一个循环即3 min.大车平衡梁的载荷谱见图7，其横坐标为信号时间，不是一个循环所经历的实际时间，每个循环经历的时间通过Number of Fatigue equivalent units和Fatigue equivalent units设置.

图 7大车平衡梁的载荷谱

Fig.7Load spectrum of cart balance beam

2.4疲劳寿命

将得到的平衡梁结构应力值、变幅载荷时间曲线和材料疲劳特性属性输入MSC Fatigue中，得到大车平衡梁的损伤和寿命分布，见图8和表2.应力最大点位于下翼缘板和隔板焊接处，即4504节点处，实例中裂纹也发生在该位置，此节点的损伤也最大.考虑到未涉及不同船型所占比例对载荷谱的影响，暂定每小时发生20次本文所采用的工作循环.在繁忙工作时每天运行16 h，一年工作300 d，结合分析结果即该平衡梁的最小寿命为4.355E+5次循环，从而计算出工作寿命为4.6 a.通过大量实验发现，失效时D的数值通常在0.3～1.0，并不永远等于1.0.在工程中，D常取为0.7～0.8，故在设计时寿命应比虚拟疲劳分析结果更小一些.图 8大车平衡梁的损伤

Fig.8Damage of cart balance beam表 2大车平衡梁的疲劳寿命分布

Tab.2Fatigue life distribution of cart balance beam节点编号损伤工作寿命/min工作循环/次45042.296E-61.307 0E+64.355 3E+535261.533E-61.957 0E+66.525 0E+526521.150E-62.609 0E+68.695 8E+552951.150E-62.609 0E+68.695 8E+59099.690E-73.096 0E+61.032 0E+628538.115E-73.697 0E+61.232 3E+610118.023E-73.739 0E+61.246 4E+646498.023E-73.739 0E+61.246 4E+68637.657E-73.918 0E+61.305 9E+69727.657E-73.918 0E+61.305 9E+6节点编号损伤工作寿命/min工作循环/次26697.657E-073.918 0E+61.305 9E+635247.657E-73.918 0E+61.305 9E+628606.292E-74.768 0E+61.589 4E+68646.045E-74.962 0E+61.654 1E+628596.045E-74.962 0E+61.654 1E+628616.045E-74.962 0E+61.654 1E+646226.045E-74.962 0E+61.654 1E+693656.045E-74.962 0E+61.654 1E+63695.996E-75.000 3E+61.667 8E+69105.996E-75.000 3E+61.667 8E+6

3结论

(1)根据大车平衡梁的材料疲劳特性和载荷特点，结合MSC Patran中的有限元模型，建立疲劳寿命评估体系进行寿命预测，得到平衡梁各部分寿命分布.

(2)通过比较可知，某厂的岸桥大车平衡梁使用5 a时出现裂纹，仿真计算结果与实际使用寿命基本吻合，表明所建立的大车平衡梁的疲劳寿命评估体系具有一定的可靠性.

(3)设计阶段应用虚拟疲劳设计方法，可有效估计零件的使用寿命，为使用方及时维护和更新零件提供依据，避免因零件突然失效而造成巨大的经济损失.

参考文献：

［1］GB/T 3811—2008起重机设计规范［S］.

［2］陈祖强, 时公贺, 梁岗. 门座起重机端梁和马腿结构多轴疲劳寿命分析［J］. 计算机辅助工程, 2010, 19(2): 8386.

CHEN Zuqiang, SHI Gonghe, LIANG Gang. Multiaxial fatigue lifespan analysis on end beam and horse leg structures of portal crane［J］. Comput Aided Eng, 2010, 19(2): 8386.

［3］王国军. MSC Fatigue 疲劳分析实例指导教程［M］. 北京: 机械工业出版社, 2005: 2229.

［4］姚卫星. 结构疲劳寿命分析［M］. 北京: 国防工业出版社, 2003: 4558.

［5］马爱军, 周传月, 王旭. Patran和Nastran有限元分析［M］. 北京: 清华大学出版社, 2004: 3845.

［6］任亮, 沈海军. 结构疲劳寿命与破坏概率可视化技术［J］. 计算机辅助工程, 2008, 17(2): 3437.

REN Liang, SHEN Haijun. Visualization technologies of structural fatigue life and failure probability［J］. Comput Aided Eng, 2008, 17(2): 3437.

［7］孙枫. 港口起重机设计规范［M］. 北京: 人民交通出版社, 2007: 894897.

(编辑陈锋杰)

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