1、引言

箱形梁屬于一種典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其作為骨架或承載結(jié)構(gòu)在起重機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。在焊接過程中，箱形梁不可避免地存在殘余應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)變集中和各類焊接缺陷，在交變載荷作用下，這些細(xì)小缺陷逐漸匯合和萌生出裂紋，并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂。由于起重機(jī)發(fā)生疲勞破壞而導(dǎo)致的安全事故，通常會造成重大的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡，已成為影響行業(yè)發(fā)展和社會安全生產(chǎn)的一大難題。文獻(xiàn)I。建立了帶穿透性裂紋板的有限元模型，采用l，4節(jié)點(diǎn)位移法、位移外推法和虛擬裂紋閉合法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，研究了載荷、裂紋長度和構(gòu)件幾何參數(shù)對裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。文獻(xiàn)哆通過制作Q345B非標(biāo)準(zhǔn)箱形梁試件，開展了結(jié)構(gòu)焊縫裂紋的疲勞擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)并利用有限元計(jì)算不同裂紋長度下應(yīng)力強(qiáng)度因子，用于指導(dǎo)港口起重機(jī)裂紋結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)。文獻(xiàn)聞基于ANSYS軟件建立了起重機(jī)箱形梁的裂紋模型，并計(jì)算出裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，用于結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測和剩余強(qiáng)度計(jì)算。以往針對箱形梁的斷裂研究，大多采用單一方法進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，缺乏基本方法間的對比分析，未深入研究裂紋尺寸、構(gòu)件參數(shù)和焊接細(xì)節(jié)等綜合因素對裂紋強(qiáng)度的影響。以36t集裝箱門式起重機(jī)為例，針對箱形梁結(jié)構(gòu)中的高發(fā)性疲勞裂紋，基于線彈性斷裂力學(xué)理論，結(jié)合整機(jī)有限元分析結(jié)果，得出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的理論值；再利用ANSYS建立裂紋子模型，借助KCALC命令通過有限元法求解應(yīng)力強(qiáng)度因子，并與理論值對論比分析。同時(shí)深入地研究了裂紋參數(shù)、主腹板厚度和下蓋板厚度等對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。為重機(jī)箱形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評定提供依據(jù)，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值和理論意義。

2、裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理

通過對在役橋門式起重機(jī)的實(shí)際檢測和疲勞試箱形梁結(jié)構(gòu)的高發(fā)性疲勞裂紋，主要發(fā)生在下蓋板與主腹板間的縱向受拉翼緣焊縫和大隔板與主腹板連接焊縫下端的焊趾處，其疲勞裂紋萌生源和擴(kuò)展機(jī)理，如表1所示。]

3、線彈性斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)

應(yīng)力強(qiáng)度因子作為判斷缺陷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生脆性失穩(wěn)擴(kuò)展指標(biāo)，反映了裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度大小，解決了裂紋尖端應(yīng)力奇異性的難題。根據(jù)裂紋的受力情況，將裂紋分為I型張開裂紋、n型滑開裂紋和III型撕開裂紋。由于起重機(jī)箱形梁典型位置裂紋主要承受拉應(yīng)力作用，易形成I型裂紋171，I型裂紋是最為危險(xiǎn)的，所以從安全角度，可以把實(shí)際裂紋按照I型裂紋處理。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，結(jié)合文獻(xiàn)罄-n】，可知應(yīng)力強(qiáng)度因子的一般公式：K。=(1，盯)V而 (1)式中：曠—裂紋長度或深度；y一與裂紋形狀、位置和加載等有關(guān)的修正系數(shù)。大隔板焊縫取Y=I．05，翼緣焊縫取y=1四；口—假定結(jié)構(gòu)無裂紋時(shí)裂紋尖端區(qū)域名義應(yīng)力。通過實(shí)際測量或有限元計(jì)算得到。

當(dāng)起重機(jī)結(jié)構(gòu)采用中等強(qiáng)度以上鋼材時(shí)，裂紋尖端基本不存在塑性變形；當(dāng)采用中等強(qiáng)度以下鋼材時(shí)，裂紋尖端將出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋尺寸。均可直接采用線彈性理算應(yīng)力強(qiáng)度I玉l-Y*-'q。在線彈性條件下，建立箱形梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性斷裂的x判據(jù)：局≤如 (2)式中：j10一結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的lI島界應(yīng)力強(qiáng)度因子，即斷裂韌度。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌度時(shí)，裂紋就會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

4、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

某鐵路局36t集裝箱門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為跨度18m，懸臂長12．5m，小車軸距8．6m。利用ANSYS及其參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)，采用sheU63單元，建立起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。將小車位于跨中，起升機(jī)構(gòu)滿載提升考慮沖擊載荷)時(shí)，作為研究跨間裂紋的最危險(xiǎn)工況。同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)載、大車運(yùn)行偏斜側(cè)向力等的作用，起重機(jī)整機(jī)模型及此工況下的加載情況，如圖2所示。在跨中工況下，整機(jī)結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖，如圖3所示。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在小車輪壓位置，最大等效應(yīng)力為100．296MPa。按照圖1定義路徑PATHl，得到按照無裂紋建模時(shí)，裂紋尖端位置應(yīng)力沿該路徑的變化曲線，如圖4所示，作為理論計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)的計(jì)算應(yīng)力

5、裂紋子模型有限元分析

5．1建立裂紋模型

為了提高裂紋模型的計(jì)算精度和效率，采用Shell-Solid子模型高級分析技術(shù)，即在起重機(jī)整機(jī)模型和分析結(jié)果基礎(chǔ)上，截取跨中裂紋附近的部分腹板和下蓋板，進(jìn)行局部重點(diǎn)分析。并結(jié)合跨中裂紋的對稱性，建立1／2的三維實(shí)體裂紋模型。子模型相對整體模型的位置和相關(guān)參數(shù)，如圖5所示。圖中：兀一主腹板厚度；z’廠-下蓋板厚度；刪紋尖端到腹板或下蓋板的距離。采用APDL建立裂紋參數(shù)化模型，并編制命令流文件，同時(shí)考慮腹板與下蓋板間的焊接細(xì)節(jié)。裂紋尖端奇異單元采用Solid95逐節(jié)點(diǎn)直接建模，擴(kuò)展層及非裂紋區(qū)采用的單元為Solid45。由于下蓋板外伸翼緣的存在(下翼緣板邊沿到腹板中性面距離為25r啪)，需要考慮兩種裂紋情形：當(dāng)a<25mm時(shí)，下蓋板裂紋按中心裂紋處理，裂紋還未擴(kuò)展至下蓋板邊緣，如圖6、圖7所示；當(dāng)a，>25mm時(shí)，按邊裂紋處理，裂紋已擴(kuò)展至下蓋板邊緣，如圖8、圖9所示。

5．2裂紋模型有限元計(jì)算

跨中對稱截面上的非裂紋面節(jié)點(diǎn)添加對稱邊界約束，將整體模型切割邊界上的位移值，插值到子模型的切割邊界上，作為分析裂紋子模型的約束條件。兩種裂紋情形下，子模型的邊界約束條件，如圖6和圖8所示。通過有限元計(jì)算，并借助ANSYS的擴(kuò)展顯示命令，得出裂紋完整模型和裂紋截面等效應(yīng)力分布云圖，如圖lO一圖13所示

通過觀察分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在兩種情況下，裂紋面均為低應(yīng)力區(qū)，裂紋尖端均為高應(yīng)力區(qū)，尖端位置均出現(xiàn)了應(yīng)力集中；下蓋板裂紋由中心裂紋擴(kuò)展為邊裂紋后，在主腹板和下蓋板處出現(xiàn)了更為顯著的裂紋開口，沿板厚度方向上的外側(cè)裂紋尖端應(yīng)力要明顯大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力。

6、應(yīng)力強(qiáng)度因子的比較分析

接下來對箱形梁下蓋板穿透裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行深入研究。通過圖4得到結(jié)構(gòu)在不含裂紋時(shí)裂紋尖端位置的應(yīng)力，代入式(1)得到應(yīng)力強(qiáng)度因子的理論值；再利用ANSYS的KCALC命令直接計(jì)算得到應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元值，并與理論值進(jìn)行比較分析。

通過同時(shí)改變整體模型和裂紋子模型的對應(yīng)參數(shù)，研究裂紋參數(shù)n、主腹板厚度E和下蓋板厚度疋對下蓋板穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，如表2。表4所示。假定主腹板厚度五=10ram、下蓋板厚度T盧12mm時(shí)，不同裂紋長度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。如表2所示。假定下蓋板厚度T：=12mm、裂紋參數(shù)a=15mm時(shí)，不同主腹板厚度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，如表3所示。假定主腹板厚度Ti=lOmm、裂紋參數(shù)a=15mm時(shí)，不同下蓋板厚度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，如表4所示。

從表中可以看出，利用ANSYS計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子與理論值雖然存在一定誤差，但絕對誤差控制在5％左右，具有一定精確性和參考價(jià)值；裂紋參數(shù)口對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響最為突出，并且隨著裂紋參數(shù)a的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增大；隨著主腹板厚度死和下蓋板厚度疋的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷減小，其中參數(shù)死的影響比E更明顯，主要是由于下蓋板厚度變化對下蓋板裂紋尖端位置的應(yīng)力影響更顯著造成的。

7、結(jié)論

(1)運(yùn)用ANSYS軟件建立集裝箱起重機(jī)參數(shù)化的整體模型和裂紋子模型。并借助Shell-Solid子模型技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，提高了裂紋模型的計(jì)算精度和效率；計(jì)算出下蓋板位置穿透裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并深入研究了裂紋參數(shù)口、主腹板厚度五、下蓋板厚度乃對其影響程度，為起重機(jī)箱形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評定提供依據(jù)，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值和理論意義。

(2)含缺陷箱形梁結(jié)構(gòu)的裂紋面為低應(yīng)力區(qū)，裂紋尖端為高應(yīng)力區(qū)，裂紋尖端位置為應(yīng)力集中區(qū)域；當(dāng)下蓋板裂紋由中心裂紋擴(kuò)展為邊裂紋后，箱形梁將出現(xiàn)更為顯著的裂紋開口，因此當(dāng)穿透裂紋擴(kuò)展至下蓋棱外伸邊緣時(shí)，需要對起重機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)施更為嚴(yán)密監(jiān)控和維護(hù)手段。

(3)利用有限元計(jì)算得到應(yīng)力強(qiáng)度因子與理論值的存在一定誤差，主要是因?yàn)橛邢拊Y(jié)果會受到網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目和方法等的影響，同時(shí)理論經(jīng)驗(yàn)公式是對實(shí)際復(fù)雜問題的簡化歸納，本身存在一定誤差，因此采用有限元法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子具有一定精確性和參考價(jià)值。

(4)相關(guān)參數(shù)對下蓋板穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響的敏感程度依次為裂紋參數(shù)D下蓋板厚度玲主腹板厚度n。并且隨著裂紋參數(shù)口的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子將不斷增大；隨著主腹板厚度兀或下蓋板厚度孔的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子將不斷減小