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1、基于断裂力学的钢丝绳疲劳寿命预测作者（单位）摘要：基于缺陷探伤法和断裂力学原理，设计了钢丝绳疲劳寿命的预测系统。该系统主要包括声发射检测设备、超声波探伤设备、应力应变测量设备和疲劳寿命分析与评估软件，并给出相关结论。关键词：钢丝绳；疲劳寿命；断裂力学 Analysis on Structural Fatigue Working Life of Wire Rope Based on Fracture MechanicsWriter(company)Abstract: A discussion on the method of structural fatigue working life for
2、 wire rope with fracture mechanics analysis related to estimation for structural fatigue life. A damage limit calculation method for related system also introduced in this paper.Key words: wire rope; Fatigue life; fracture mechanics0 前言结构疲劳强度分析不仅在航天、航空、造船等尖端工业领域有着十分重要的意义, 对一般机械设备的使用可靠性和使用寿命评估也具有重要作用
3、。据国外的统计,在机械零件的破坏中有50%90%为疲劳破坏。我国目前尚没有对疲劳破坏问题进行过全面调查, 但同类产品的使用寿命往往比发达国家低。钢丝绳作为机械起重设备传递载荷的关键部件, 在循环往复的交变载荷作用下, 都可能发生裂纹并扩展, 最后导致突然断裂破坏。正确估算钢丝绳的疲劳寿命, 对起重机械运营安全性、可靠性具有非常重要的意义。1 结构疲劳寿命分析基本方法疲劳寿命分析主要包括以下 4 种方法:1.1名义应力法以名义应力为基本参数, 以 SN 曲线为主要计算依据。根据设计寿命的不同, 分为无限寿命设计法和有限寿命设计法； 根据名义应力参数的不同, 又分为应力比法和应力幅法。名义应力法的
4、主要分析步骤为:1) 用雨流计数法统计出结构疲劳分析位置在典型工作时间历程中的应力循环情况,确定结构的载荷谱和应力谱。应力循环可以选择典型工作状态计算分析, 也可以现场检测结构应变获取应力谱。2) 结合材料的 SN 曲线, 再考虑各种影响系数, 确定结构构件的 SN 曲线。3) 按照线形 ( 或非线形) 累计损伤法则进行疲劳强度分析。线形累计损伤法则(Miner 法则) 简单易用, 但该法则没有考虑载荷顺序、残余应力、低于疲劳极限的应力对结构的影响和某些应变时效材料的低应力锻炼作用, 估算出的寿命与实际寿命相比出入较大。采用修正后的 Miner 法则 ( 非线形累计损伤法则) 可以提高分析准确
5、度, 如Marco-Starkey 损伤曲线法和 Corten-Dolan 指数损伤法。4) 按照一定的累计损伤理论进行疲劳寿命估算。以总损伤值为产生裂纹的依据, 计算裂纹形成寿命, 排除设备过去使用的工作时间, 以此估算金属结构的剩余寿命。5) 进行验证性疲劳试验。应用名义应力法计算疲劳寿命, 理论简单, 易于进行应力分析与现场检测。但该方法是以结构材料内没有缺陷和裂纹为前提的, 同时需要在总寿命中排除设备过去工作的应力循环数。由于种种原因, 结构材料内部往往已经存在着初始缺陷或裂纹, 不论是宏观缺陷(或裂纹)还是微观缺陷(或裂纹)； 同时许多企业对进行疲劳分析设备的历史工作记录不全或不准确
6、。这些因素都严重影响了用名义应力法进行结构疲劳寿命分析的准确性。1.2局部应力应变法局部应力应变法是在低周疲劳基础上发展起来的疲劳寿命估算方法, 其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。局部应力应变法目前主要应用于单个零件的疲劳分析, 对于大型复杂结构, 尚难以进行精确的应力应变分析。1.3损伤容限法 损伤容限法是在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳分析方法。损伤容限法是以断裂力学理论为基础, 以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的计算、测定技术为手段, 以有初始缺陷或裂纹结构的剩余寿命估算为中心, 以断裂控制为保证, 确保结构在使用期内能够安全使用的一种疲劳分析方法。其基本前提是
7、认为材料内有初始缺陷 (裂纹), 根据材料在外载荷下的裂纹扩展性质, 估算其剩余寿命。断裂力学认为:材料均有缺陷, 有了裂纹不一定破坏, 只有到达临界状态时的裂纹才能造成结构破坏。损伤容限法的关键是在结构探伤的基础上正确估算裂纹扩展寿命。应用以断裂力学为基础的损伤容限法进行结构疲劳寿命分析, 在飞机、船舶、海洋平台的结构方面均有一定的研究, 在钢丝绳疲劳寿命预测方面虽有研究, 但目前还没有成熟的检测与分析系统投入实际应用。4) 疲劳可靠性法, 在考虑了载荷、材料疲劳性能和其它影响疲劳寿命数据分散性的基础上, 提出疲劳破坏的概率, 确定在一定范围内不破坏。上述疲劳寿命分析方法中, 根据 SN 曲
8、线的斜线部分进行寿命估算的名义应力法算出的是总寿命；局部应力应变法算出的是裂纹形成寿命；根据断裂力学方法进行寿命估算的损伤容限法算出的是裂纹扩展寿命；裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和为总寿命。2 钢丝绳S-N曲线测试的试验原理2.1 钢丝绳疲劳破坏的基本原理 钢丝绳的疲劳破坏是指载荷作用很多次所引起的断裂破坏。按照载荷用材料力学方法算出的名义应力值虽低于钢料的屈服点，但多次重复作用后会引起钢丝绳的破坏；破坏时所对应的载荷作用循环次数就是它的疲劳寿命。但是以往在很多情况下钢丝绳疲劳断裂后分析原因时，更多关注的是钢丝绳以日历天数或小时数计算的使用寿命，这显然是片面的。因此，分析断绳事故时还应重点考察
9、钢丝绳悬挂后实际用它完成的提升工作量。因为一定的提升量对应着钢丝绳在特定工况下循环载荷的作用次数，据此来衡量钢丝绳的使用寿命才是真正抓住了疲劳寿命的本质所在。众所周知，在实际工作中钢丝绳受到张紧、弯曲、扭转、挤压等外力作用，绳中钢丝的受力非常复杂，要想通过钢丝绳的外加张力来精确计算绳中各钢丝的受力几乎是不可能的，依此估算钢丝绳的疲劳寿命是不可行的。于是，一种模拟钢丝绳实际使用状况的试验方法钢丝绳疲劳试验应运而生。经过对影响钢丝绳疲劳试验结论的重要因素进行分析，找出这些主要因素对应的钢丝绳使用现场的工况参数。钢丝绳疲劳试验时就可根据这些工况参数模拟使用现场的情况。对于载荷模式固定的钢丝绳，它的工
10、作环境、每提升工作循环的载荷性质、钢丝绳规格和结构等因素是固定的。这就为通过疲劳试验比较准确地预测新悬挂钢丝绳的疲劳寿命提供了可能。2.2 试验条件的模拟2.2.1钢丝绳试样选择和样本数量确定在钢丝绳用量较大的使用场合，首先要正确选择钢丝绳的材质、直径、结构及规格，再以生产工艺成熟、产品质量长期稳定可靠、信誉好的生产厂家作为钢丝绳的长期固定供货商。然后从现场使用的钢丝绳备用件中抽取试验样本，就能保证试样相对该使用工况具有高度的代表性，才能使疲劳试验所得出的结论长期对评估现场钢丝绳的疲劳寿命具有指导意义。如果因种种原因中途需更换钢丝绳的供货商，则要重新对钢丝绳抽样试验，以确定新的疲劳寿命预测模型
11、。由于钢丝绳的整绳疲劳试验成本较高，一般先从生产厂家生产的同规格、不同批次的钢丝绳中随机抽取3段钢丝绳作为样本。先对这3段钢丝绳疲劳试验的寿命数据取对数后计算其统计特征值，再据此判断钢丝绳抗疲劳特性的稳定性(由于疲劳试验时，载荷循环次数巨大，数据处理时通常对试验数据取对数后，更易看出数据蕴涵的规律性)。如果这3段钢丝绳疲劳试验结果的收敛性很好，表明钢丝绳产品质量稳定，勿需加大样本数量；否则，试验结果离散性大，则需分析钢丝绳生产环节是否存在问题，以决定是否加大试验的样本数量。2.2.2弯曲疲劳机的选择和工作方式的设计参考钢丝绳弯曲疲劳试验方法(GB/T12347-1996)中推荐的方法，以能最大
12、限度模拟钢丝绳的实际现场应用情况为原则来选择疲劳试验机。设计疲劳试验机的工作方式时，应满足钢丝绳在试验中所承受的往复载荷与现场的提升工作循环载荷的作用方式一致。2.2.3弯曲滑轮、试样弯曲频率、环境温度和包角的确定在进行钢丝绳疲劳试验时，试验用弯曲滑轮的材料、直径和轮槽半径要尽可能地接近现场使用的滑轮情况，以使试样能经受现场钢丝绳相类似的磨损。钢材疲劳寿命更多的是与循环加载总次数相关，所以试样弯曲频率可取用疲劳试验机所能输出的最大工作频率，以缩短试验时间。试样绕过弯曲滑轮的包角和试验环境温度应尽量接近使用现场的情况。2.2.4钢丝绳试样张力的确定钢丝绳在大部分使用场合中所受的张力都是交替变化、
13、循环作用的。试样每工作循环所施加的张力应尽量模拟现场的受力，故也应交替变化。试样施加的最大与最小张力应考虑钢丝绳驱动机械的启动、停机和加、减速造成的冲击与减载作用，并对最大张力值乘以大于1的分项载荷安全系数，对最小张力值除以大于1的分项载荷安全系数。这是因为钢丝绳所受张力变化的幅度越大，其疲劳寿命越短，应用试验结论也就偏于安全。3 以缺陷探伤为基础的结构疲劳寿命分析系统基于钢丝绳的S-N曲线和损伤容限方法，我们设计了以缺陷探伤为基础的结构疲劳寿命分析系统。分析系统组成主要包括:1) 声发射检测设备: 用于动态监测、检测材料的开裂和裂纹扩展, 以及缺陷的定位；2) 超声波探伤设备: 用于钢丝绳内
14、部多种缺陷 (裂纹、夹杂、气孔等) 的检测、定位、评估和诊断；3) 应力应变测量设备: 用于钢丝绳结构应力应变的动态监测和测量；4) 疲劳寿命分析与评估软件。采用基于断裂力学为理论基础的疲劳寿命分析方法, 进行钢丝绳结构疲劳寿命估算。应用上述结构疲劳寿命分析系统, 结合有限元计算确定疲劳破坏关键位置, 进行结构缺陷探伤 ( 确定初始裂纹) 、动应力检测 ( 确定应力谱) , 可以较客观地评定结构疲劳寿命, 确定合理的安全检验周期 ( 一般检修周期小于或等于剩余寿命的一半) , 保证钢丝绳设备的安全、有效运营。3.1 初始裂纹尺寸的确定对结构进行有限元分析, 找出需要进行疲劳分析的关键位置, 确
15、定分析点初始裂纹、临界裂纹尺寸、相应的应力强度因子和材料的疲劳裂纹扩展速率表达式后,即可进行结构剩余寿命分析。初始裂纹尺寸可按如下方法确定:以无损探伤方法测定检测点的最大缺陷尺寸；当用超声波无损探伤方法未检测出缺陷时, 一般可取初始裂纹尺寸=2 mm。初始裂纹尺寸对结构裂纹扩展寿命有显著影响, 不同的值可以在相当范围内改变结构疲劳的寿命。3.2 临界裂纹尺寸c可根据以下原则确定结构净截面应力应小于或等于强度极限b；结构应力强度因子K应小于快速扩展区起点的应力强度因子值, 实际上可以用KIC 的下限值代替区的应力强度因子。按照上述条件确定的较小裂纹尺寸即为临界裂纹尺寸c。计算结构净截面应力时, 需要考虑一定的载荷动力系数。3.3 疲劳寿命的计算运用断裂力学理论来探讨疲劳裂纹扩展寿命和分析影响裂纹扩展的因素,采用帕里斯(Pairs)公式来计算钢丝绳的疲劳寿命,其表达式为： （1） 式中：为应力循环一次所对应的裂纹扩展量；K为应力强度因子变化幅,K=KmaxKmin, Kmax、Kmin分别为最大应力和最小应力所对应的应力强度因子；C,m材料常数。将式(1)变化,可计算裂纹扩展寿命： （2） (3)根据钢丝绳结构常用材料的特性, 在考虑当前结构缺陷的类型、尺寸和位置、结构的几何形状和尺寸、
