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岸边集装箱起重机剩余寿命分析


第 2期 ( 第 1 9 ) 总 5 期  
2 0年 4 月 01  

机 械 工 程 与 自 动 化  M ECHANI CAL ENGI   NEERI NG  &  AUTOM AT1 | 0N 

N o.   2

Apr  .

文章 编 号 :6 26 1 (0 0 0—

0 50  17 —4 3 2 1 )20 4 —2

岸 边 集 装 箱起 重机 剩 余 寿命 分 析 
邬 俊 文 ,赵 章 焰 
( 汉 理 工 大 学 物 流 工 程 学 院 , 湖北  武 汉 武 406) 3 0 3 

摘要: 以岸边 集装 箱起 重机 为研 究对 象 , 于 断 裂 力 学理 论 , 基 利用 有 限元 分 析 软件 A YS对 其 结 构 进 行模 拟 , NS   参考 B 50 S 4 0疲 劳算 法 ,对 其 进 行 剩 余 寿 命 分 析 , 满足 了实 际 工 程 的 需要 。   关键 词 :集 装 箱起 重机 ;有 限元 法 ;断 裂 力 学 ; 剩 余 寿命 
中 图分 类 号 :TH2  1 文 献 标 识 码 :A  

0 引言   

含 裂纹体 或 焊接结 构 的剩余疲 劳寿命 是 十分适 用的 。  
1 利用 B ¥0   S 4 0确 定 裂 纹 形 成 寿 命 

如果 岸边集装 箱起 重 机 ( 以下 简称 岸桥 ) 金属结 构 
具 有安全 、适用 和耐久 这些 性能 ,人 们就认 为它具 备 

B 50 S 4 0标准 的疲 劳强度 表达 式如 下 :  

可靠 性 。可靠性定 义为 :在规 定 的条件 下和 规定 的时  间 内 ,完成 预定功 能 的能力 。其 中 ,规定 条件 指正 常 
设计 、正常 生产 和正常使 用 ;规定 时 间则 是指 金属 结  构 的设 计寿命 。但 是金属 结构 的使 用期 限超过 其设计 

{ 一 c ≥ I         。   ‘
,  

。 … 一 () 1 

I 一 nO     i"  r  

. <  

寿命后 ,并 不意 味着这些 金属 结构 就会立 即失 效 ,而  只是其 失效概 率将 比预期 值增 大[ 。疲 劳 破坏在 现 实  1 ] 中屡见 不鲜 ,传统 的 “ 全寿命 设计 ”要 求结 构在一  安 定 的使 用期 间内不产 生疲 劳裂纹 ,并 以裂 纹确定 作为  寿命 的终结 , 未计及 裂纹 扩展 寿命 ( 而 即本 文所述 的剩  余 寿命 ) 1 7 。9 7年 Du g n等人先 后对 疲劳 寿命赋 予更  ga 明确 的含义 : 际构件在 出现某一 指定 “ 实 工程裂 纹 ”   以 前 的寿命 称为 “ 纹形成 寿命 ” 为 Ⅳ, 从工 程裂纹 扩  裂 , ; 展 至 临界 裂 纹 或完 全 断 裂 的寿 命 称 为 “ 纹 扩 展 寿  裂 命 ” 为 Ⅳ  结 构总 寿命是 两者 之和 , , 。 即Ⅳ一Ⅳ, +Ⅳ   。 将 断裂力学理 论应 用 于结构设 计 ,即损 伤容 限设  计 ,使结构 设计进 入一 个新 的发展 阶段 。按 照这种 设  计原 则 ,在 结构使 用期 间 内允 许存 在初 始缺 陷或 出现  疲劳 裂纹 ,但 必须保 证 裂纹扩 展速 率较慢 ,使 含裂 纹  结构有 足够 的剩余 寿命 和剩余 强度 持续工 作 ,直到 下  次检修 时能够 发现 并予 以修复 或更换 ,不 致 由于裂纹  增长对 强度 削弱过 多造 成事故 ] 。疲 劳过 程的两 阶段  论, 促进 了安 全寿命设 计 和损 伤容 限设计互 为补 充 、 互  为发展 的趋势 。断裂力 学 在承认 构 件的表 面或 内部存  在 裂纹 的基础 上 ,在材 料 的力学 性能 、构 件的几 何尺  寸 、载 荷之 间建立裂纹 扩 展的定 量关 系 ,从 而推 断焊 

其 中 : 为设 计 循环 谱 的级 数  , t 为第  级 循 环谱 的设  计 循 环 次 数 ; 第 i 循 环 谱 的许 用循 环 次 数 ; 为  N, 级   应 力 幅 值 , 最 大应 力 … 与 最 小 应 力  的差 值 ; 即 ,   为对应 于不 同焊 缝 等级 下  一Ⅳ 曲线 斜 率 的倒 数 ,   由 B 50 S 4 0中查表可 得 ; 为对应 于不 同焊缝 等级 下无 限    寿命 的应 力 幅 , B 5 0 由 S 4 0中查 表可 得 。  
通过 有 限元分 析 软件 ANS S . Y 9 0建立 岸 桥模 型 ,  

基 于 B 50 S 4 0对其 进 行疲 劳 分 析 。表 1为 岸 桥上 最 大  损 伤点处 的疲 劳计 算结 果 。  
表 1 岸 桥 上 最 大 损 伤 点 的 疲 劳 计 算 结 果   
f   MP a  
O l ' a m   O ' x m ̄   o   1 蜥 

M Pa M Pa    

N 

, Z  

^r  

l 4 . 2 7 . 8 2 . 6 7 5   7 2   3 9   6 7   . 0× 1   0 2   3 .  7 .  3 . 8 1 2 5 1 3 98 8 8   . 0× l   0

1 1 . 0× 1 s 0 0     0  . 01 5 3 0 . 0× 1   0 0 0 6 . 2 

3 2 . 6 9 . 9 7 . 3 1 5   3 3   8 5   5 2   . 0X 1 6 0  4 l . 8 9 . 9 8 . l 9 8   1 7   8 5   6 8  . O× 1 s 0  5 4 . 2 7 . 8 2 . 6 7 5   7 2   3 9   6 7   . 0× l 7 0  6   3 .  7 . 8 3 .8 12 5 1 3 9   8 8   . OX l 7 0 

3 0 X 1s O 9   . 0 0   .1 9 6 3 0 × 1: 0 3 66 . 0 0  . 0     4 5 X 1s . 0    0 0 00   . 6

3 7 × l  0 0 21 . 0 0 . 3    3 0 1  .7 × 0 0 07   . 5

7 2 . 6 7 . 8 5 . 2 4. O× l     3 3  3 9  0 6  9 0

8 l . 8 3 9  6 .  27   1 7  7 . 8 2 2 . 0× 1   0

3 00 1 s 0 1     7 9 6 . × 0   .1 2 8O. 5    

表 1中 , 一1 , ~8为用 户制 定 的 8级载荷 循  f ~8 l 环 谱 ; 值 为用户 根据 岸桥 实际工 作需 要和客 观条 件    制 定 的设 计 循环 次数 。  

接构件 的抗断 裂能力 。 因此 ,断裂力 学方 法对 于求解 
收稿 日期 :2 0 —81 ;修 回 日期 :2 0 —02  090 —0 0 9 1-7
作 者 简 介 :邬俊 文 (9 5) 男 , 北 武 汉 人 . 读硕  究 生 , 18一, 湖 在 上研 研究 方 向 : 械 制 造 及 自动 化 。 机  

?4 ? 6  

机 械 工 程 与 自 动 化 

21 0 0年 第 2期 

根据 Ⅳ一N, v ,式 中 N, 2, t— l 的寿  +J  为 / i 时  I
命, 即裂 纹形 成寿命 。 根据 实际计 算结 果 , 表 1中 但 从   不难 得到  n 一0 7 96 1 i . 5  < ,即该岸 桥 在设 计 的寿 

纹 的扩展 主要取 决于 材料 内部 的第 一 主拉应 力 。故 在  ANS S计 算 结 果 中查 询 陆 侧 上 横 梁 第 一 主拉 应 力  Y
( 图 1. 见 ) 可知 :   一l 8 2 8MP , 1 . 4   a  一0MP 。   a 故 
有 △ 一 1 8 2 8M P 。   1 . 4  a 

命 期外 还能 作业 , 岸桥 还可作业 的 寿命 以下式表 达 : 该  
+  +  +  +  +  +  +  :  一 

2 I 一 0 2 04 。   t i . 4   

其 中 :  为在 第 i n 级循环 谱下该 岸桥达 到裂 纹形成 寿  命 的剩余 循 环次数 ,可 由统计 的各级循 环谱 下 的实际  循 环次数 的线性 比例而计算 求得 。  
2 剩 余 寿 命 的 理 论 依 据 

断裂 力学 是 以构件含 有初始 裂纹 为前提研 究裂 纹  扩 展 的规 律并进 行 寿命 计算 。断裂 力学认 为 ,结构 存  在 裂纹或 局部零 件破坏 时仍 能承受 足够 的载 荷并维 持 


图 1 岸 桥 陆侧 上 横 梁 第 一 主 应 力 查 询 值   

定 的 时间 ,含裂纹 构件 的寿命 主要 由 “ 裂纹 扩展 速 

当 K    、彻   , 一0 一 1 8 2 8MP ,  一y / 时   " m 1 . 4  a a一 
- ( 2 ) 26 眦   .

率 ”决定 。在 常幅载荷 作用下 ,这 是一个 十分 简单 的  积 分问题 。如果 通过无 损探 伤确定 了初 始裂纹 的尺 寸  “ ,再 根 据材 料 的 断裂 韧性 K  。 确定 构 件 的临 界 尺 寸  a , 后通 过疲 劳裂纹扩 展速率 的表 达式进 行积 分 ,  然 就 

可得 到常 幅载荷 下含裂 纹构件 的裂 纹扩展 寿命 。   裂 纹 扩 展速 率  是在 疲 劳 载荷 作 用下 裂 纹 长度 
n对 于循 环 次数 Ⅳ 的变化率 ,由 P r 公式 表示 : ai s  


初始 裂纹 的尺 寸在 文献 E 3 , 中推 荐 , 于不 同厚度  1 对 钢 板 的焊接 ,。 可取0 5mn  1 0mm。 “值 .  l .  出于安全性  考 虑 , 文取n 一1 0lm。 本 。 .  1 由式 ( ) Y . 3 可得剩 余 寿命N  一 
6 14 : 。 岸桥 平均 每天循 环, 5 1  3 次 若 1 z :2 0次 , 则岸桥 的 

剩 余极 限工作天 数 为7    一24 6 。 ’ 一  4天  
4 裂 纹 监 控 

c( △K ) 。 … … … … … … … … … … … ( ) M 2 

其 中 : K 为应 力强 度 因子 幅 度 , K—K… 一K i M  A A  ;  

由于 岸桥工 作于 露天 的海边 ,难 于确定 变化的腐  蚀环 境 ,同 时 考 虑 到 疲 劳 问题 的分 散 性 因 素 ,由式  () 3 计算 的剩余 寿命 与 实 际应 用情 况 肯定 有 差别 。因  此 , 工程 的安 全性考 虑 , 对岸 桥定期 进行巡 检  。 从 需 ]  
巡检 的时 问间隔 目前 只能 由经 验公 式给 出 :  
丁  一  。 … … … … … … … … . () . 4 

为 l( ) g △ 直 线 的 斜 率 ; 为 将 l   ) g  一l ( K) C g( 一 
l ( K) g △ 直线延 伸 ̄ a U K=1MP     a 和 M 由材料决 定 。   裂纹 a 扩展 到 “ 的应力 循环 次数 为 : 。    
, 

对应 的  值 。C  

2  

,  

1  
丽  
… …

1  
一 
… …

、  
  。  


巡 检 过 程 为 : 下 一 次 巡 检 发 现 的 裂 纹 长 a 变 成  若 。

一 
… … … … … … … … … … … … …

而 两
… …

则将  代 入式 ( )并 通过 折算得 到岸桥 的剩余 极  3,

(   3)

限天数 7 取下 次巡 检周期 为 3   如此循环  次 , 1   G  , - 直  至  为很短 的时 间 间隔 , 3 天 , 不论岸 桥作业 多  如 0 则

其 中 :y为几何 修正 因子 ,对 于无 限大 中心 裂纹 板取  y一1 对于单 边裂纹 无 限大板取 y一1 1 ; d为应力  , .2 △

幅度 。式 ( ) 是断裂力 学最基 本 的剩 余 寿命 计算 式 。 3就   对 于具 体构件 的计 算 ,尚需考虑 一些 实际 问题 。  
3 剩 余寿命计 算  式() 3 中的 c、 是取决 于材质 的 系数 ,由材 质决  M 定 。对 于 Q3 5钢结 构焊 接热 影 响 区推 荐 取值 :M一  4
3 0 . C一 .7 2 1 × 1 。 断 .6   0 , 裂 韧 性 K  一 

繁 忙 ,必 须停止 工作 并进 行维修 。  
5 结 论 

1 1 6MP   厂 1 。   a v 


。在一 个工作 循环 中 ,疲劳 载 荷谱 

般 取满 载 ~空 载 一满 载 。根 据笔 者设计 经验 和岸桥 

现行 的起重 机金属 结构 的疲 劳计 算没有 考虑到初  始 裂纹缺 陷对起 重机疲 劳 寿命 的影响 .与实 际情况存  在 明显 差异 。断 裂力学 的损 伤容 限理论 给起重 机疲劳  设 计和 寿命 研 究 提供 了新 方 法 。本 文 先 通 过 B 5 0  S 40 计算裂 纹形成 寿命 .并 根据 笔者 的项 目经验 和岸桥使  用 过程 出现疲 劳损 伤 的位置 ,利用 断裂理 论根据 裂纹  的扩展 速率计算 出岸桥 的剩余 寿命 。  
( 考文献 和英 文摘要 转第 4 参 9页 )  

现场 工况 , 生裂 纹的地 方多在 陆侧上 横梁 ; 次 , 产 其 裂 

21 0 0年 第 2期 

机 械 工 程 与 自 动 化 

?4   9?

22 .

试 验验证 

见 图 4 由图 4可 以看 出在 发 动机怠速 时 , 向盘的振  。 方 动在各 个方 向均 明显 减小 ,总 的来 说 ,达到 了减振 的 
目的。  
2  5

将传 感器 固定 于方 向盘 9点钟 位置 , 得优化 前 、 测  
后 3个 方 向振 动加 速 度大 小 随发 动 机转 速 变 化 曲线 ,  

∽ 



 





 

、 

l  5

删 



 
 

C=  


R  

l) (  

0 

O  

( a)优 化 前 

速 度  F r n ) ? i   a f ) 优 化 后  b

图 4 优 化 前 、 后 3个 方 向 振 动 加速 度 随转 速 变 化 曲线 

3 结 语 

对某 型叉 车方 向盘 转 向机构做 了一 系列 简化 ,简  化后 的 模 型 在 Wo k e c   r b n hDM 模 块 中反 复 多 次 进 行 

参考文献 :  

[ ] 李 兵 , 正 嘉 , 雪 蜂 . S   rb nh设 计 、 真 与  1  何 陈 AN YSWo k e c 仿

了参数化 模 型生成 的仿真 验证 ,最终 确定 了合理 的装  配关 系 ,并进 行 了模 态分 析 ,找 出方 向盘 怠速振 动剧  烈 的原 因 ; 并根 据零 件相关 尺寸 分别做 了敏 感度 分析 ,   确定 了单 个零 件的最 敏感 尺寸 。同时选 择 确定其 中对 
部 件 的 安装 尺 寸影 响较 小 的几 个敏 感 尺 寸 进 行 了优 
化。  

优 化 [ ]北 京 : 华 大 学 出 版 社 , 08 M . 清 20.  
E J 胡少 伟 , 同 臣. 构 振 动 理 论 及 其 应 用 E ]北 京 : 国 2 苗 结 M . 中  
建 筑 工业 出 版 社 , 0 5 20.  

[ ] 韩 卫 卫 , 铭 . 动 理 论 在 汽 车 车 架 改 型 设 计 中 的 应 用  3 李 振 E] 濮 阳 职业 技 术学 院学 报 ,0 8 1) 2—8 J. 2 0 ( 1 :72 .   [ ] 张 焱 . 言 言 , 乃 华 . 车 车 身 振 动 仿 真 分 析 [] 拖 拉  4  左 宋 客 J. 机 与农 用 运 输 车 , 0 8 1 ) 4 — 6 2 0 (0 :3 4 .  

CAE  s a c   f De i n t d Fo klf ’  t e i   Re e r h o   s g a e   r i t S S e r ng

W h e  b a i n Ba e   n ANS   e lVi r to   s d o   YS
M A  n —e g.YUAN  h n Qig fn Z e g, Z HANG  n Ya  
( n u  l Co A h iHe i .. Lt ., He e  3 0 2.Ch n )   d f i2 0 2 ia 

Absr c t a t: Thi  ap r i  bou  hevi a i   ob e o  he se i g w he lo    e t n t p  or iti dl   i e Fis l s p e  sa tt   br ton pr l m  ft   t ern   e  fa c rai  y e f klf n i i tm . r ty,i  a re   ng tc r is OU  tCA E  e e r h by usng A NSYS  or e h s t r rs ac     i   W kb nc   ofwa e, a   r po e   n op i ia i   c m e The nd p o s s a   tm z ton s he . n, t   t tcan y i s us d hes a i  alss i  e   t   he k t   ten h o  he op i ie   t uc u e A tl s o c c   he s r gt   ft   tm z d s r t r .   a t, t   xp rm e a  e ho  s us d t   rf  he vi a i     he s e rn   he e e i nt lm t d i  e   o ve iy t   br ton oft   t e i g whe lr du i   i iian l   t rop i ia i   e  e cng sgnfc ty afe  tm z ton. Ke   y wor s: f r it; FEA ; s e rng w he l CA E  d o klf te i   e;

( 接第 4 上 6页 )  
参考文献 :  

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2 01  0 .

E ] 徐 灏 . 劳 强 度 E ] 北 京 : 等 教 育 出版 社 ,0 1 5  疲 M . 高 20.  

An l s s o   h   m a ni g Li e o   nt i r Cr n   a y i  f t e Re i n   f   f Co a ne   a e
W U  u - n.ZHAO  a g y n J n we Zh n - a  
( c o lo   g s is En i e rn S h o  fLo i t   g n e i g? W u a   i e st   f Te h o o y. W u a   3 0 3, Ch n ) c h n Un v r iy o   c n l g h n4 0 6 ia  

Ab ta tTa igt ec n an r r n  sr sa c   be tb s do  h  h o yo rc u eme h nc ,hsp p rsmu ae h  o t ie  sr c : kn  h  o tie  a ea e e rho jc , a e  nt et e r   f a t r  c a is t i a e i ltst ec nan r c f
c a ’  tuc ur    i g t e fniee e e ta l ss s fw a e A N SYS ,c c a e  he r m ai n lf  y r f rn   O t   r ne S sr t e by usn   h  i t   l m n   na y i  o t r   alult s t   e nig ie b   e e ig t  he BS54   od   00c e ofpr c ie f  a i ue I  ovde   fec ie m e h   a tc  orf tg . tpr i s e f tv   t odst   ol e t   a tc   oblm n e i e rng.   O s v   he pr c ialpr e i  ng n e i   Ke   y wor s: c d ont i rc a e; fnie ee e   na y i fa t r   e ha c ane   r n i t  lm nta l ss; r c u e m c nis; r m a n n   ie e i i g lf 


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