铸造起重机应力仿真与疲劳寿命评估

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摘要： 采用有限元分析法与现场测试相结合的方法来得到主梁的应力情况。从而得出在外主梁下盖板跨中位置的主应力与外主梁主腹板两端剪应力最大，这几处附近的焊缝部位存在着应力集中现象，需结合现场采集的数据对这几处做疲劳寿命评估。结果得出虽然跨中焊缝处应力最大，但其寿命仍有46年,此铸造起重机仍然安全。

Abstract: This paper uses finite element analysis and field test to get the stress of the main beam of the ladle crane. then finds out that the principal stress of under cover and the shear stress at both ends of the main seam of the ladle crane are the largest. There is stress concentration in the seam which is near these place. The fatigue life of these place shall be evaluated with the field data. Although the maximum stress exist in the seam, there are still 46 years of its life, so the ladle crane are still safe.

关键词： 铸造起重机；有限元分析法；疲劳寿命评估

Key words: ladle crane；finite element analysis；fatigue life assessment

中图分类号：TH2文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）18-0032-02

0引言

随着我国冶金企业生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为液态金属搬运重要设备的铸造起重机在现代化生产过程中的作用越来越大，并且冶金企业对铸造起重机的要求也越来越高[1]。而铸造起重机工作条件极为恶劣，一旦其金属结构发生破坏，造成的后果将极其严重[2]。为了防止铸造起重机因疲劳造成破坏，需每隔一段时间对铸造起重机做疲劳寿命评估。

1铸造起重机结构简介

某炼钢厂的四梁六轨铸造起重机桥架由四根主梁构成，如图1所示。两根外主梁主腹板上方分别铺设一条轨道，两根内主梁的主腹板与副腹板上方各铺设一条轨道。副小车占用内侧两根轨道，主小车占用其余四条轨道。两根内主梁之间采用连杆连接，内外主梁之间采用铰轴连接。

2测试方案

本文采用静态载荷与动态载荷测试相结合的方法对这台已投产10年的四梁六轨铸造起重机进行疲劳寿命评估。现场测试方法采用电阻应变方式测试应力。由于在现场贴应变片前，主梁各部位都存在由重力产生的内应力，而这个内应力无法通过应变片求出，并且贴片的位置并不一定就是受力最大部位，所以需借助有限元分析来得出其测点的初始内应力，以及最大应力部位。然后根据有限元分析和现场测试的应力数据，得出各测点和各最大应力部位的实际应力。然后通过现场测试所的数据，计算出主梁所需部位的实际应力，并对其进行载荷谱编制，对危险部位进行疲劳寿命评估。

3起重机的有限元分析

3.1 有限元模型此铸造起重机主梁为箱体结构，其特点是板材的长度与宽度远大于其厚度，所以在建立有限元模型时采用板单元。在建立模型时，省略了一些如栏杆、走台、扶梯、配电管等对分析结果影响不大的部位。由于此起重机主体为对称结构，所以建立模型时只需取其一半进行建模。模型如图2所示。沿主梁跨度方向为X轴方向，沿大车运行方向为Z轴方向，沿垂直于大车运行平面为Y轴方向。

3.2 起重机材料属性与重量起重机材料为Q345钢，其物理特性见表1。

3.3 模型加载在现场跟踪测试时发现，满载小车在司机室端和扒渣端时，外主梁主腹板两端剪应力较大；满载小车在跨中时下盖板中部主应力较大。所以有限元加载时需加载四种情况：①主小车空载在司机室端，即零点位置；②满载主小车位于司机室端；③满载主小车位于跨中；④满载主小车位于扒渣端。通过这四种情况找出最大剪力部位和最大主应力部位。

3.4 有限元分析结果由有限元分析得出的零点时测点部位的内应力和现场测试的应力数据，得出所需部的实际应力。

经过有限元分析得出外主梁跨中下盖板测点位置和跨中下盖板与筋板焊缝位置的应力关系如表3。

由表3可知，跨中下盖板测点部位的应力值在以上四种情况下总是低于跨中下盖板与筋板焊缝处的应力22~27MPa，因此在进行载荷谱编制时，焊缝处应力值视为跨中测点实际应力值加上25MPa之后的值。即

4应力谱编制

在得到了焊缝处的应力之后，采用峰值计数法对测试数据进行采集，然后编制跨中下盖板焊缝处应力谱如图 3。由于测点的应力可近似看作应力比r=0.3的脉动循环应力，并且循环应力比r对焊缝的疲劳强度影响不大，因此焊缝采用r=0.1的修正后的焊缝p―S―N曲线。

5疲劳寿命分析

线性累计损伤理论认为，当

时结构就发生疲劳破坏。

k――应力谱中应力分级的级数，见各载荷谱图。

D――临界损伤和。

当临界损伤和改为一个不等于1的其它常数时，称为修正Miner法则，其数学表达式为：

根据文献[3]，将a值取为0.7。当a取为0.7时，其寿命估算结果比Miner法则安全，寿命估算精度也从总体上比Miner法则有所提高。

将（3）式代入（5）式，得

从以上应力谱图中可知，主梁在每班工作时所受应力循环次数为12次，每天3个班，每年工作365天，所以，每年循环次数为：

12×3×365＝13140次

主梁的疲劳寿命（工作寿命）为：

如表4为焊缝各应力级别对应的寿命。

最后按公式（7）得出此焊缝处寿命为56年。所以虽然该焊缝部位有应力集中，铸造起重机从投产至今已有十年，但其疲劳寿命仍然剩余46年。

参考文献：

[1]栗建彬，马其云，董存武．铸造起重机在冶金行业的应用现状与未来[J]．天津冶金，2007.

[2]徐兆春，曹天明，谢光志．超大型铸造起重机机械结构形式的比较[J]．冶金设备，2005.

[3]徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1990.

[4]（英）格尔内（Gurney,T.R.）.焊接结构的疲劳[M].北京：机械工业出版社，1988.

[5]杨先勇，刘安中，李友荣．桥式起重机主梁焊缝有限元计算子模型[J]．起重运输机械，2005.