基于BS7910 的塔式起重机臂架结构 安全评定方法研究

陈 富 吴 晓 杨海燕 冯晓华
西南交通大学机械工程学院 成都 610031

摘 要：以TC6030 型塔式起重机为研究对象，运用Abaqus 建立塔式起重机臂架结构的有限元模型，结合断裂力学理论，基于BS7910 三级断裂评定标准，对塔式起重机上出现的平面裂纹进行断裂评定，计算评定参数，绘制失效评定图（FAD)，从而展开适用于塔式起重机臂架结构安全评定方法的流程和方法的研究。评定结果显示，该臂架结构上3 处裂纹缺陷均处在安全范围内，臂架结构仍可正常运行。

关键词：塔式起重机；臂架结构；断裂评定；有限元；研究

中图分类号：X943：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）11-0173-04

塔式起重机（以下简称塔机）臂架结构疲劳起初只是很小的裂纹，达到一定程度才会引发安全事故，如经常检查，及时发现和处理结构裂纹缺陷，可大大减少此类事故的发生。

金属结构安全评定规范目前在压力容器及石油化工设备等领域已得到广泛的应用，在欧美一些发达国家先后已制定出了多种相关标准，目前使用比较广泛的如美国API579、欧洲SINTAP 标准和英国的BS7910 标准等，我国则是在2004 年发布了GB/T 19624—2004 标准。本文以TC6020 塔机为研究对象，对该塔机臂架结构进行三维建模及分析计算，同时结合断裂力学理论，参照BS7910 断裂评定标准，对塔机上出现的平面裂纹进行断裂评定，从而展开对于塔机臂架结构安全评定方法的研究。

1 臂架结构
本文的研究对象为某建筑工地使用的TC6020 塔机，该机型的最大起重量为10 t（R ＝ 13.9 m），其臂架结构由8 节桁架结构组成，每节主要是由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，结构简图如图1 所示。上弦杆采用圆钢，下弦杆采用方钢，空间斜腹杆与水平斜腹杆均为圆钢，水平直腹杆为角钢，具体参数如表1 所示。

图1 臂架结构结构简图

表1 TC6020 塔机臂架结构参数 mm

根据GB/T13752—1992《塔式起重机设计规范》，塔机的结构强度计算应按载荷组合B，安全系数为1.34。已知塔机臂架结构所有弦杆材料为Q345，材料的许用应力值为257 MPa，所有腹杆材料为Q235B，材料的许用应力值为175 MPa，材料密度ρ ＝ 7.85×10-6 kg/mm3，弹性模量E ＝ 2.1×105 MPa，泊松比v ＝ 0.3。断裂韧度是材料的一种固有属性，反映了材料抵抗脆性断裂的能力，可通过标准实验测得。依照BS7910标准，计算材料的断裂韧度可由材料的J 积分断裂韧度进行计算，在不能直接得到J 积分断裂韧度值时，可直接测量材料的平面应变断裂韧度来代替。根据文献[4]可知，采用J 积分法测得的Q235 钢的断裂韧性K IC ＝ 6052.6 MPa● mm0.5。

2 裂纹位置及参数
对塔机臂架结构进行结构安全评定，应采用相关技术手段对其进行裂纹缺陷检测，目前常见的裂纹检测方法有无损检测和有损检测。常见的裂纹无损检测技术有超声波检测、渗透检测、射线检测、磁粉检测、涡流检测、漏磁检测、声发射等[5]。通过对塔机臂架结构缺陷信息统计分析，塔机臂架结构疲劳损伤的危险位置主要集中于下弦杆与腹杆的焊接处。

由无损检测得到的实际裂纹缺陷形状类型各异，不便于直接用于计算分析，为了便于后期计算分析，需要对实际裂纹进行规则化处理。依照BS7910，可将塔机臂架结构缺陷表征为规则的裂纹状表面裂纹、埋藏裂纹或穿透裂纹，如图2 所示。当裂纹平面与主应力方向不垂直时，可将裂纹投影到与主应力方向垂直的平面内，在该平面内按投影尺寸确定表征裂纹尺寸[6]。本文以TC6020 塔机起重臂为研究对象进行断裂评定，以表面裂纹为例，经规则化处理后的裂纹尺寸如表2 所示。

(a) 穿透裂纹 （b）埋藏裂纹 （c）表面裂纹
图2 臂架结构缺陷表征图

3 评定方法
依照BS7910，对于含缺陷的结构有3 种评定方法可供使用，分别为1 级简单评定、2 级常规评定、和3级延性撕裂评定。在该评定流程中，采用常规评定中的2A 评定，该评定方法采用通用失效评定图（FAD）的方法进行，不需要提供应力－应变曲线，大大简化了评定流程。评定曲线由曲线方程和一条垂直线方程组成闭合区域，当评定点位于评定曲线与坐标轴所包围的区域内时，则认为缺陷结构安全，否则为不安全。其中，失效评定曲线（FAC）的表达式为

4 安全评定计算
塔机臂架结构主要由桁架结构组成，其中的主弦杆受力后会产生拉、压、弯、扭，而腹杆只受轴向拉、压力[7]。针对臂架结构的结构特点，基于Abaqus 在非线性分析方面的强大功能，本文使用大型非线性有限元分析软件Abaqus 对TC6020 塔机臂架结构进行有限元仿真分析。定义主弦杆为可承受扭矩的B32 梁单元，腹杆和拉杆均采用T3D2 杆单元。起重臂端的铰点通过销轴连接到塔身，拉杆固定在塔顶，均通过约束自由度来模拟，有限元模型图如图3 所示。作用于塔机起重臂上的载荷主要有起升载荷、自重载荷、风载荷和水平惯性载荷，可按照起重机设计规范GB/T 13752—1992 进行计算[8]。

图3 TC6020 塔机臂架结构模型

在断裂评定过程中所取用的应力是缺陷部位的主应力。计算时，选用假定结构不存在缺陷时其附近的应力，根据应力的作用区域和性质，可将其划分为一次应力P和二次应力Q ，可通过线弹性计算方法计算得到。在对TC6020 塔机有限元模型的3 种典型工况分析中，发现工况2 为其最危险工况，即起重量Q ＝ 10 t，工作幅度R ＝ 13.9 m，4 倍率，起升速度v q ＝ 20 m/min。有限元计算结果如图4 所示，结构的最大等效应力σ max ＝ 185.6 MPa。

图4 臂架结构等效应力分布云图

对于塔机臂架结构，弯曲应力可忽略不计，即P b＝ 0，Q b ＝ 0；按最危险情况计算，即裂纹刚好出现在危险截面的最大应力附近，P m ＝σ max ＝ 185.6 MPa。对于二次应力，主要为焊接应力，依照BS7910 标准，Q m＝σ s ＝ 235 MPa。

5 评定参数计算
5.1 载荷比
载荷比是指结构参考应力与材料屈服强度之比，反映了结构的塑性失稳程度，用于描述裂纹尖端的塑性量。在载荷比的计算中，只需考虑一次应力作用，不必考虑其二次应力的影响。载荷比的计算公式为

式中：σ s 为材料的屈服强度，ξ 可通过式（5）求得

求得的TC6020 塔机起重臂结构的载荷比及相关参数值见表3。

5.2 断裂比
断裂比是指结构裂纹尖端应力强度因子与断裂韧性
之比，反映了结构的断裂失效程度，可按式（6）进行计算，
即

式中：ρ 为塑性修正因子，经简化计算得，取ρ＝ 0；K mat 为材料的断裂韧度，K I 为应力强度因子可通过解析式求得 。其中，（Yσ ）p 和（Yσ ）s 分别表示修正后的一次应力与二次应力，可按照BS7910 标准中附录M 进行计算。通过评定计算，得到TC6020 塔机起重臂结构的断裂比及相关参数见表4。

6 评定结果分析
将载荷比L r 和断裂比K r 所构成的评定点（L r，K r）绘制到对应的失效评定图中，即可展开含缺陷结构相应级别下的断裂安全评定，如图5 所示。如果该评定点位于安全区之内，则认为该缺陷经评定时安全可接受。

图5 失效评定图（FAD）

通过观察失效评定结果图可以发现，评定点均处在安全区域内，即3 处裂纹缺陷均是可以接受的。该含裂纹缺陷的塔机起重臂结构是安全的，仍可继续服役。

7 结论
1）对TC6020 塔机臂架结构的2A 级安全评定结果显示，该结构上裂纹缺陷均处在可接受的范围内，该臂架结构仍可正常运行。
2）使用Abaqus 对塔机臂架结构进行建模分析，将结构有限元分析与安全评定方法相结合，在保证结构精确性的同时，大大提高了评定工作的效率。
3）将BS7910 标准应用于塔机臂架结构的安全评定中，对用于塔机臂架结构安全评定方法和流程的相关规范的制定具有重要意义。

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来源：起重运输机械