港口起重机金属结构裂纹监控方法.pdf

三港口物流 E33钱令希．工程结构优化设计．北京：水利电力出版社，1983． [4]孙国正．优化设计及应用．北京：人民交通出版社，2000． E53张氢，孙国正，卢耀祖．40．5t岸边集装箱装卸桥结构优化设计ANSYS用户年会论文，2000． E63ANSYS软件用户手册，ANSYS高级技术分析指南．2000． 港口起重机金属结构裂纹监控方法 赵章焰 (武汉理工大学) 摘 要：裂纹在港口起重机特别是门座起重机的金属结构中广泛存在。金属结构裂纹严重威胁着起重机的安全 生产。文章以实验研究为基础，提出了一整套港口起重机金属结构裂纹监控的实用方法，为港口开展金 属结构裂纹监控具有较好的参考价值。 1 引 言 港口起重机投入使用后，随着时间的延续，在长期机械载荷、循环载荷、温度载荷、腐蚀环境条件下，金属 结构的材料会产生损伤，即材料的机械性能会产生劣化[1]。具体表现在材料的强度下降，脆性增大。机械 承载结构在使用较长的时间后(In10年)，韧性较好的低碳钢或低碳合金钢，由于其机械性能的劣化，材料的 脆性会越来越大，特别是机械承载结构上有裂纹存在的情况下，机械性能的劣化速率会更快。 起重机金属结构裂纹的存在，严重影响着生产的安全，对现场管理及操作人员的心理留下阴影。目前， 关于结构(部件)疲劳裂纹寿命预测有较多的研究[2—3]，但是，它们的研究范围较多集中在某种材料的标准 试件或受力简单部件(如转子、压力容器等)的疲劳裂纹寿命预测，研究的手段通常是实验、随机理论、有限元 分析等。而对现场裂纹的诊断与控制尚未找到工程实用的安全有效的方法，所以，寻找一套符合现场要求， 满足现场需要的方法是非常必要的。 通过大量的实验和实际应用，本文提出的裂纹诊断与控制方法既有科学的依据，又简单易行，在实际工 程中得到较好的应用。 2裂纹敏感区的确定 若机械承载结构的材质均匀，裂纹的萌生主要决定于材料内部第一主拉应力c。，此外主拉应力f。较高 的焊接处(区)，亦可在焊接缺陷处萌生裂纹，并在载荷的反复作用下导致裂纹缓慢亚临界起始扩展。基于以 上考虑，可以对起重机金属结构分别在几种不同恶劣载荷工况下，对其应力分布进行有限元分析，得到应力 分布云图，包括VonMises等价应力云图和第一主应力c。云图。由C。云图上的高ct区域确定裂纹易萌生 并可能导致缓慢亚临界扩展的区域，称这种区域为裂纹敏感区。并在结构总图上标出裂纹敏感区。 巡检时，可在计算机上调出有关部位，巡查裂纹敏感区的高C-区域及周边焊缝是否存在裂纹。这样，不 需对结构进行大面积检查，仅对所标明的裂纹敏感区域进行重点检查即可。 3临界裂纹长度的确定 裂纹扩展的临界长度a。系指一旦裂纹扩展到a。时，构件已丧失承载能力，因为这时一旦起重机起吊额 定荷载，裂纹即有可能失稳快速扩展，导致结构破坏。对于用Q235钢制作的结构，a，的大小视其裂纹所在 处的第一主应力大小而定，其计算公式为： 自主创新曹；看L物疵工蕾L的持续与科学生晨 一鑫X100--％麓#=芈 ㈩ 式中 卜形状参数，一般取y一1．12； f1——单位取MPa； 口。——单位为mm。 欲知裂纹所在处的临界裂纹长度a。的值，只需在主应力c-云图上查出该处c。的大小，代人式(1)即可 得口c。 对于焊缝及其热影响区，Kc小于母材Q235，其断裂韧性值可以表示为： Kr≈90MPa~／m 其临界裂纹长度为： 铲岛×1000=焉×1000--芈 ㈣ 式中Cl——焊缝处第一主应力，单位同式(1)。 4巡检周期的计算 4．1寿命预估 出于对工程实际背景的考虑，在机械承载结构大面积范围内要检测出小裂纹多有不便。建议对裂纹敏 感区进行巡检，如在放大镜下发现口o≥8ram(定义机械承载结构宏观裂纹的下限8ram)以上的裂纹，以此 为a。作为疲劳裂纹起始长度，以式(1)或式(2)中口。作为裂纹扩展的