桥式起重机主梁等构件是典型的焊接结构,其主要失效形式是疲劳断裂。由于在焊缝部位存在焊接缺陷,采用传统的建立在构件无缺陷、无裂纹基础上的强度理论进行设计计算时,往往不能确保起重机在额定载荷下使用的安全性。裂纹的萌生和形成寿命很短,疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹的稳定扩展阶段。因此,应用断裂力学方法研究起重机焊接结构的疲劳裂纹扩展机理,并估算在役起重机的剩余疲劳寿命,对预防疲劳断裂事故的发生,指导起重机的设计、制造、检验和管理具有重要意义。 针对桥式起重机常出现的断裂事故,本文以某冷轧带钢厂现役50t×33m桥式起重机为研究对象,采用有限元法结合现场实测的研究方法,对桥架结构进行了应力分析。在此基础上对应力高且有严重应力集中的危险部位——主梁跨中焊缝采用“板到体子模型”技术,对其进行细化分析,得到跨中焊缝的应力分布。计算表明:主梁跨中焊缝应力最大,且存在严重应力集中,是桥式起重机主要裂纹起源,是影响桥式起重机承载能力的薄弱环节。 根据现场试验和有限元计算编制的各危险部位的载荷谱,采用修正Miner法则结合Corten-Dolan非线性损伤理论和修正后的p—S—N曲线对结构进行疲劳可靠性设计,计算表明:对于应力水平低、没有显著尖峰载荷的结构,加载顺序的影响不大。计算结果与起重机设计寿命基本相符,表明计算结果满足工程上精度要求,该寿命模型是实用和可行的。 采用等效应力法和Miner线性累积损伤法则相结合的方法对焊接结构在变幅载荷下裂纹扩展寿命进行了研究。计算发现:如果主梁跨中焊缝出现初始裂纹,当裂纹扩展速率达到某一临界值时,裂纹的扩展速率明显加快,主梁很快失效;对于工作过程中没有显著的尖峰载荷的结构疲劳裂纹,进行裂纹扩展寿命计算时,可以采用忽略裂纹扩展过载效应和不同幅值载荷循环之间顺序与相互影响的均方根等效应力法与Miner累积损伤法,计算过程相对简单且计算结果满足工程上精度要求。 本文所采用的修正Miner法则结合Corten-Dolan损伤理论进行疲劳可靠性设计的方法不仅适用于桥式起重机的疲劳损伤与寿命分析,也适用于一般的金属结构疲劳损伤与寿命分析;本文采用有限元分析与断裂力学分析相结合的方法为含初始缺陷结构的寿命预测提供了一种工程上可行的方法。