徐自平

摘 要：经济发展促进港口机械的快速发展，从而引起了研究者对机械结构疲劳程度的评估。港口集装箱轨道吊是港口集装箱装卸作业中的重要设备，在该文作者提出了一种基于有限元仿真的疲劳强度校核。通过建立集装箱轨道吊金属结构的有限元模型，进行有限元分析仿真各结构件的静强度计算，运用许用应力计算模型，确定最小疲劳寿命部位，并采用应力比法对疲劳强度进行校核分析。

关键词：轨道吊;疲劳强度;有限元

中图分类号：U674              文献标志码：A

0 引言

港口起重机是承受循环载荷的大型机械设备，其金属结构在使用期内疲劳破坏时有发生。因此对港口起重机金属结构进行疲劳强度校核，具有十分重要的现实意义。港口起重机金属结构的工作应力值小于其材料的屈服应力值，应力应变成线性关系，属于高周疲劳。据此，采用应力比法对港口起重机金属结构的疲劳强度进行校核。该文将以港口轨道吊为例进行疲劳强度校核分析。

1 疲劳强度计算理论

结构构件的抗疲劳能力取决于结构的工作级别、构件类别、结构件材料种类、结构件的最大应力和应力循环特性等。

对结构疲劳强度计算常采用应力比法和应力幅法。该文计算采用应力比法进行校核。

1.1 分析流程

该文在校核结构静强度的基础上，结合疲劳许用应力理论计算模型，提出了一种简便的有限元疲劳强度校核方法：

根据结构参数，建立轨道吊的有限元模型。

对模型进行前处理：设置材料及单元属性、网格划分、定义边界条件、施加工况载荷。

求解，并提取关键部位的应力值。

根据疲劳许用应力理论进行校核。

1.2 应力集中等级情况的确定

根据GB/T3811规范要求，将焊件应力集中情况划分为：K0、K1、K2、K3和K4等5个应力集中情况。随着连接应力集中等级的递增，结构疲劳强度递减。在疲劳强度校核时尽量采用较为合理的应力集中情况等级K值，见表1。

1.3 疲劳许用应力

构件疲劳许用应力按下表2公式计算，表中r为应力循环特性。为拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值，是r=-1的对称应力循环实验中得到的疲劳极限除以1.34安全系数，并考虑构件工作级别、应力集中情况等级和材质3个因素。

焊接构件的拉伸和压缩疲劳许用应力基本值見表1，单位为N/mm2。

1.4 疲劳应力校核

根据载荷的实际情况计算出最不利的最大应力值，按下式进行校核。

式中：

|σxmax|、|σymax|——构件在疲劳计算点上的绝对值最大应力，单位（N/mm2）。

|τxymax|——构件在疲劳计算点上的绝对值最大剪切应力， 单位（N/mm2）。

[σxrt]、[σxrc]——与相应的拉伸、压缩疲劳许用应力，单位（N/mm2）。

[σyrt]、[σyrc]——与相应的拉伸、压缩疲劳许用应力，单位（N/mm2）。

[τxyr]——与τxymax相应的剪切疲劳许用应力，单位（N/mm2）。

通常起重机的结构件在相同工况下进行疲劳强度校核，为了确保安全，也可将各工况下的应力值组合在一起，按最不利的r值计算许用应力来进行校核。

2 疲劳强度计算实例

该文以港口集装箱龙门吊钢结构疲劳计算进行分析。某型号RMG的主要参数为：额定起重量为45 t，轨距为23.47 m，起升速度为满载30 m/min，小车速度为70 m/min。

2.1 建立有限元模型

因结构均为箱型梁形式，故采用BEAM188单元模拟主梁和框架，采用LINK8单元来模拟门框拉杆，采用MASS21单元模拟附加质量单元，建立有限元模型并计算。

2.2 有限元计算与分析

结构所有金属材料均为Q345B，许用应力为345 MPa。

计算大车静止状态，小车运行状态下工况如下：

工况一，额定载荷，小车在跨中位置。

工况二，额定载荷，小车最右端。

工况三，额定载荷，小车在集卡上方。

工作状态计算风压q=250N/mm2，风力系数1.2。

3种工况最大应力计算结果如图1所示。

根据计算结果分析得出，在工况一状态下主梁和门腿位置计算应力值相对较高分别为151 MPa、170 MPa，可以确定这些位置为危险部位。

2.3 疲劳分析

2.3.1 计算依据

由设备使用状态得知：利用级别U7，载荷状态Q3，工作级别A8。

根据前文查表1得许用疲劳应力值为55.4 MPa。

2.3.2 疲劳载荷计算工况及计算结果

根据上述有限元分析结果，在工况一状态下计算疲劳应力。此时大车机构处于制动状态，起升机构处于制动状态，小车运行机构处于制动状态，取60%的额定负载，小车位置在跨中位置。

计算得出最危险单元148的疲劳强度校核见表3。

3 结论

该文阐述了基于有限元方法分析结构疲劳强度的基本步骤，并结合实例对港口起重机金属结构的疲劳强度进行了校核，为工程技术人员在设计结构时提供了一种计算依据。

参考文献

[1]田相玉，黄大为，周志红.基于有限元方法的混凝土泵车结构疲劳寿命预测[J].中国工程机械学报，2017（6）：542.

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