造船龙门起重机主梁结构件的疲劳试验与分析

郭晓光1 许成斌2 殷 鹏1 王 欣2
1 大连船舶重工集团有限公司 大连 116000 2 大连理工大学机械工程学院 大连 116024

摘 要：以580 吨级造船龙门起重机主梁结构为研究对象，通过设计结构试件进行疲劳试验，获得试件在不同应力水平下的疲劳寿命循环次数，同时观测试件的裂纹形成、扩展现象。最后，根据试验结果拟合出的S-N 曲线，对照选取标准中的S-N 曲线，为结构疲劳分析提供试验依据。

关键词：造船龙门起重机；主梁；疲劳试验；断口分析

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）07-0063-05

0 引言
造船用龙门起重机是造船港口码头常见的船体吊载装配设备。随着运输船舶发展迅猛且日趋大型化特点，造船用龙门起重机正朝着大型化、高速化、重载化方向发展。金属结构是起重机的主要承载部件，为典型的焊接箱形结构，长期在不同作业载荷作用下会出现疲劳损伤。当疲劳损伤累积到一定程度时，起重机金属结构便会发生疲劳断裂，造成重大损伤事故。对大型化、老龄化的起重机而言，疲劳破坏引起的事故更容易发生，存在较大安全隐患。

为了更为准确地对起重机疲劳寿命进行预测，许多学者对疲劳寿命的预测方法进行了研究与改进，随着人们对疲劳机理研究的深入，目前已发展出多种疲劳寿命预测方法。T-Ghidini 等[1] 通过对不同材料构件在不同载荷下进行实验，论证了运用断裂力学理论进行构件疲劳寿命预测的可行性；李鹏等[2] 通过对桥式起重机主梁的实测应力时间历程数据进行统计分析，得到了主梁的应力幅谱，根据名义应力法预测起重机结构的疲劳寿命；西南交通大学吴晓等[3] 以Paris 公式的等幅载荷疲劳裂纹扩展寿命计算公式为基础，结合Miner 线性累积损伤理论，推导了一种用于变幅和随机载荷的起重机金属结构疲劳寿命计算模型。

本文以580 吨级造船龙门起重机为研究对象，通过设计结构试件进行疲劳试验，获得试件在不同载荷水平下的疲劳寿命循环次数。在跨中处施加相应载荷，分析熔透焊与非熔透焊对工字型板结构疲劳寿命的影响，同时观测试件的裂纹形成、扩展现象，并进行S-N曲线分析。

1 试件的疲劳加速试验方案
试件重点研究起重机主梁主焊缝的疲劳情况，故按主梁实际翼缘板和腹板的厚度与材料建立工字形结构。考虑实际主梁焊缝存在熔透焊接和非溶透焊接两种，则试件的焊缝也按此制作，试件结构及其基本信息见图1、表1。

图1 试件结构基本尺寸

该试验在多通道疲劳试验台上完成，通过安装支座采用螺栓连接，将工字梁安装固定在试验台上，如图2所示。通过试验台上的加载器在工字梁跨中处施加一定频次的载荷经过载荷反复作用，直至工字梁出现裂纹而破坏，记录裂纹的扩展情况。为实现加速试验，试件应力处于高应力水平，则通过应力测试确定加载的载荷水平。

图2 试验台上的试件安装图

在进行应力测试时，重点考察焊缝处的应力，在跨中焊缝附近的腹板、下翼缘板的上下表面选取测点（见图3），采用应变测试仪采集测点处的应变，应变片方向为工字梁纵向轴线方向（见图4，X为试件编号，X＝ 1、2、3）。

图3 试应力测点位置

图4 应变贴片图

2　试验结果及分析
根据试验方案，通过应力测试确定测试载荷水平，选定载荷频次，进行疲劳试验。当出现裂纹并使得试件断裂时，记录工作循环次数。6 个试件的试验结果见表2，相应试件断裂的图片如图5 所示。

由图5 和表2 可以看出，6 个试件的应力幅值差异不大，但破坏时的工作次数有较大差异，具有离散性特征。这是因为焊缝上的气孔、夹渣等焊接缺陷导致的应力集中和残余应力以及各试件之间存在材料差异性等因素的影响，导致试验数据存在一定离散性。非溶透焊接构件的工作次数要少于溶透焊接的构件，表明焊缝质量越好，工作寿命越长。

图5 试件断裂图

如图6 所示，6 个试件的断口可明显地划分为两个区域：较为光亮平滑的区域是裂纹的萌生和扩展的区域，而较为暗淡的颗粒状凹凸不平的区域则是瞬时破断区。裂纹形成后，载荷的反复作用使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，由此形成光滑区。光滑区面积随载荷的反复作用逐渐增大，也无法再承受承载，而由剩余面积承受外载荷。当剩余面积不足以承受外载荷时，会出现突然断裂的现象，由此产生了瞬时破断区。在断面上还可看到有许多“小台阶”，这是因为试件上有多个裂纹源，由于各裂纹源不在同一平面上, 随着裂纹的扩展逐渐合并，载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线，于是在联接处形成了“台阶”。此外，试件受纯弯矩作用时，随着加载次数的增加，焊趾处出现多个半椭圆裂纹，且逐渐扩展、汇合，穿透腹板形成穿透裂纹。

图6 试件断口图

3 S-N 曲线的拟合与确定
考虑环境、天气、温度以及实际载荷组合复杂等因素，尤其在岸边作业时，还会出现腐蚀与锈蚀等情况，这些因素的综合影响会使实际环境下的疲劳破坏要早于试验条件下的疲劳。为此，通过试验结果建立S-N 曲线，来了解应力与疲劳次数之间的关系。考虑实际情况的复杂性，故在S-N 曲线拟合时需要考虑一定的安全系数。

将6 个试件试验的数据分为两组进行拟合，得出的拟合曲线如图7 和图8 所示，考虑安全系数n ＝ 1.34的非熔透焊S-N 曲线可表示为

考虑安全系数n ＝ 1.34 的熔透焊S-N 曲线可表示为

表3 所示为IIW 标准[4] 部分接头形式等级分类，对比GB/T 30024 － 2013《起重机　金属结构能力验证》[5]的焊缝形式与质量，选取S-N 曲线等级为 FAT56。将试验得到的S-N 曲线与IIW 规范中选取的曲线进行对比，如图9 所示。所选取的S-N 曲线与试验结果接近，且在计算用的应力范围内，都适当低于试验曲线，故选取的S-N 曲线适合该起重机结构的疲劳计算。

图7 非熔透焊拟合曲线

图8 熔透焊拟合曲线

图9 S-N 曲线对比

4 结论
以580 吨级造船龙门起重机为研究对象，设计了6个结构试件并进行疲劳试验，通过试验台上的加载器在工字梁跨中处施加一定频次的载荷经过载荷反复作用，直至工字梁出现裂纹而破坏，获得了试件在不同载荷水平下的疲劳寿命循环次数。由于焊缝上的气孔、夹渣等焊接缺陷导致的应力集中和残余应力以及各试件之间存在材料差异性等因素的影响，导致了试验数据存在一定的离散性。非溶透焊接构件的工作次数要少于溶透焊接的构件，表明焊缝质量越好，工作寿命越长。

从断口来看，裂纹源都是在焊缝未溶透区域，即这里容易产生缺陷。随后裂纹随动载荷的不断加载卸载而逐渐扩展，构成断面光滑区，直至剩余面积不足以承载，而出现突然断裂后的粗糙区。由此，焊缝缺陷是裂纹源的根本所在，但焊接过程中难免不出现缺陷，故要求焊缝质量和工艺越高越好。

所选S-N 曲线与试验结果接近，且在计算用的应力范围内，都适当低于试验曲线，故选取的S-N 曲线适合该起重机结构的疲劳计算。

参考文献
[1] Ghidini T，Donne C D.Fatigue life predictions using fracture mechanics methods[J].Engineering Fracture Mechanics，2009，76(1)：134-148.
[2] 李鹏. 桥式起重机主梁变幅疲劳寿命试验载荷谱[J]. 机械强度，1991(3)：34-36.
[3] 吴晓，罗薇，刘璐，等. 在役桥( 门) 式起重机金属结构疲劳寿命预测分析[ J ] . 中国安全科学学报，2 0 1 0 ，20(2)：95.
[4] Hobbacher A F.Recommendations for fatigue design of welded joints and components[M]. IIW Collection，Springer International Publishing，2016.
[5] GB/T 30024-2013 起重机金属结构能力验证[S].

来源：起重运输机械