王遠友 許成斌 殷 鵬 徐兆光 岳增可 王 欣

1 大連船舶重工集團有限公司2 大連理工大學機械工程學院

1 引言

造船用門式起重機是造船港口碼頭常見的船體吊載裝配設備。隨著運輸船舶日趨大型化，造船用門式起重機正朝著大型化、高速化、重載化方向發(fā)展。起重機金屬結(jié)構(gòu)是起重機的主要承載部件，也是起重機最主要的組成部分。起重機金屬結(jié)構(gòu)是典型的焊接箱型結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下會出現(xiàn)疲勞損傷，當疲勞損傷累積到一定程度時，起重機金屬結(jié)構(gòu)便會發(fā)生疲勞斷裂，造成災難性事故。對大型化、老齡化的起重機而言，疲勞破壞引起的事故更容易發(fā)生，存在較大的安全隱患，一旦發(fā)生事故，將會造成重大的人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。

為了準確地對起重機疲勞壽命進行預測，許多學者對疲勞壽命的預測方法進行了研究與改進，隨著人們對疲勞機理研究的深入，現(xiàn)在已發(fā)展出多種疲勞壽命預測的方法。T-Ghidini等通過對不同材料構(gòu)件在不同載荷下進行實驗，論證了運用斷裂力學理論進行構(gòu)件疲勞壽命預測的可行性[1]；李鵬等通過對橋式起重機主梁的實測應力時間歷程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到了主梁的應力幅譜，根據(jù)名義應力法預測起重機結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[2]；吳曉等以Paris公式的等幅載荷疲勞裂紋擴展壽命計算公式為基礎，結(jié)合Miner線性累積損傷理論，推導了一種用于變幅和隨機載荷的起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算模型[3]。

本文以使用多年的440 t級造船門式起重機為研究對象，對起重機鋼結(jié)構(gòu)進行載荷試驗，目的是了解長期使用對結(jié)構(gòu)應力水平的影響，驗證有限元模型建立的可行度[4-5]，為后續(xù)疲勞分析提供合理的計算模型。

2 應力測試方案

本次試驗對象為440 t級造船門式起重機的主梁和剛腿，試驗用數(shù)據(jù)采集儀器及元件見表1。

應變測試共3組，18個測點，布置位置見圖1，其中，組1、組2位于主梁跨中處；組3位于剛腿與主梁連接附近。測點的選擇相互對稱，便于結(jié)果對比分析，并在焊縫附近，可以了解焊縫附近的應力水平。

表1 試驗主要的設備與儀器

圖1 測點位置

進行2次實物載荷試驗。每次載荷試驗時，負載都是從柔腿側(cè)起升，然后向跨中和剛腿側(cè)移動。負載在柔腿側(cè)、跨中和剛腿側(cè)時，相對靜止一定時間，記錄測試值。共獲得5個測試工況，見表2。表2中實際載荷是從起重機的力限器系統(tǒng)中讀取。同次吊裝時，載荷數(shù)值存在一定的差異，這與力限器的測量誤差有關。

表2 各工況詳細情況表

3 有限元計算模型與計算

采用Shell181殼單元和Beam188梁單元等進行結(jié)構(gòu)的主梁(殼單元)、剛腿(殼單元)和柔腿(梁單元)的有限元建模。柔腿頂部與主梁采用耦合方式連接。整體結(jié)構(gòu)(承壓板、橫隔板、腹板等)采用四邊形和三角形網(wǎng)格劃分單元，單元總數(shù)280 066，節(jié)點總數(shù)275 791。

考慮到起重機支腿為一剛一柔，以及起重機在實際作業(yè)時大車車輪既不能脫離又不能偏離大車軌道的實際情況，對剛性支腿一端約束起重機高度方向UY、軌道方向UZ以及主梁軸線方向UX的位移約束；柔性腿處也約束UX、UY、UZ這3個方向位移。模型載荷包括小車機構(gòu)自重和負載，不考慮結(jié)構(gòu)自重。載荷以節(jié)點載荷方式施加在主梁上小車機構(gòu)各車輪與主梁軌道的接觸處。結(jié)構(gòu)有限元模型及載荷、約束情況見圖2(以工況2為例)。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)上述測試工況進行有限元計算，獲得工況2的應力與位移云圖，見圖3～5。

圖3 工況2下X方向應力云圖

圖4 工況2下Y方向位移云圖

圖5 工況2下X方向位移云圖

4 結(jié)果對比分析

主梁和剛腿測點的有限元結(jié)果與測試結(jié)果及對比見圖6和表3。個別測點存在數(shù)據(jù)漂移情況，對比時不計。從圖表對比中可得以下結(jié)論。

(1)同一測試工況下，主梁上對稱布置的測點應力數(shù)據(jù)基本相同。不同測試工況下，隨著負載從柔腿側(cè)向跨中和剛腿側(cè)推移，測點應力由小到大再到小的變化趨勢，符合理論分析趨勢。即測點在主梁跨中，則負載在跨中時彎矩最大，測點應力最大，在70 MPa左右。負載在柔腿側(cè)和剛腿側(cè)時，彎矩小，則測點應力也隨之減小。有限元計算值與測試值對比結(jié)果可以看出，兩者結(jié)果差異不大，表明結(jié)構(gòu)在使用后的應力水平變化不大。兩者誤差普遍在±10%以內(nèi)，個別在±20%上下，而且變化趨勢相近。由此也說明了所建立的有限元的合理性。

表3 剛腿結(jié)果對比

(2)在同一測試工況下，對稱布置的剛腿測點應力基本相同。不同測試工況下，隨負載從柔腿側(cè)向跨中和剛腿側(cè)移動時，測點應力逐漸增大，因為跨中和柔腿依次遠離剛腿側(cè)，對剛腿的應力影響也小，負載在剛腿側(cè)時應力最大，在35 MPa左右。有限元計算結(jié)果與測試結(jié)果對比，由于數(shù)值基數(shù)小，1～2 MPa的變化會引起較大的誤差變化，因此采取了差值對比。兩者的應力水平相當，表明結(jié)構(gòu)使用一定時期后的應力水平基本沒有變化，同時也表明有限元模型的合理性。

有限元計算值和測試值之間存在誤差的可能原因有以下3點：

(1)實際測試的載荷存在偏差，從同次載荷試驗可以看出，載荷的測試上有一定差異。

(2)實際吊裝過程中，會存在一定的風載，這在計算時未考慮。

(3)測點位置與應變片方向存在一定偏差。有限元選取的測點位置也會因網(wǎng)格劃分情況存在一定偏差。

此外，還測試了主梁跨中的撓度，與有限元計算的結(jié)果對比見表4。從表中看出，兩者的計算差異在±10%以內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)的剛度狀態(tài)良好。

表4 主梁跨中撓度對比

5 結(jié)語

通過對門式起重機鋼結(jié)構(gòu)進行應力測試試驗，獲取了主梁、剛腿處的應力，結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)的應力水平與剛度狀況較好。將該應力與有限元計算結(jié)果的應力相互對比，兩者的差異性較小，表明有限元模型建立的合理性，可為進一步的疲勞模型建立與計算提供依據(jù)。