铸造起重机金属结构疲劳裂纹扩展研究

宁占

广西壮族自治区特种设备检验研究院

摘要：铸造起重机在使用的过程当中，如果存在基础结构性的安全性问题，那么很有可能会引发一系列的安全事故，所以在进行实际结构研究的过程当中，我们需要重点针对金属结构疲劳裂纹的扩展以及疲劳破坏的实际情况进行分析。所以本次课题在研究时，主要以铸造起重机金属结构作为研究对象，通过调研分析的方法了解整个铸造起重机的工艺流程，并且结合整个金属结构理论，了解铸造起重机的疲劳裂纹扩展情况。希望能够为相关企业在开展铸造起重机结构研究以及设计的过程当中，能够重点针对疲劳裂纹的问题进行研究，并提出科学合理的解决方案。

关键词：铸造起重机；疲劳裂纹；扩展研究

在冶金行业以及锻造行业当中，铸造起重机的应用范围比较广泛，而且它一般都是出现在一些高危险的场所当中，如果铸造起重机出现结构性的质量问题，那么很有可能会引发一系列的安全事故，针对这一情况铸造起重机，在生产时就需要重点针对它的结构进行分析，确保结构的稳定性以及避免出现疲劳裂纹的情况。疲劳断裂是引发注入造气重机，出现安全事物的主要因素之一，所以它已经成为了目前研究的重点内容。我们可以将金属结构的疲劳裂纹扩展分成三个不同的阶段，第1个阶段是裂纹萌生，第2个阶段是裂纹扩展，第3个阶段是疲劳断裂。整个铸造起重机的主梁结构都是焊接结构，所以在实际使用的过程当中难免会出现裂纹事故，因为在生产的时候铸造起重机的主梁制造和焊接过程，不可避免的会出现潜在的裂纹源。比如焊接缺陷，锻造缺陷等等。

1应用背景

目前人们针对铸造起重机金属结构的疲劳裂纹情况进行分析时，重点针对它的疲劳剩余寿命研究以及预测进行探讨，并且取得了比较好的成果。人们会通过大量的时间研究以及数值模拟，针对铸造起重机在生产时存在的角焊缝以及焊接接头的力学性能进行了综合探讨，并且通过大量的实践研究和数据模拟，了解了在不同温度以及不同条件下裂纹扩展的速度。以往的论文一般都是通过试验数据以及研究进行线性的拟合，是以材料作为基础进行探讨的，主要内容并不是针对整个结构进行探讨以及研究，所以最终的研究结果也会存在比较明显的偏差。只是针对材料进行试验以及研究这种做法很有可能会受到环境因素的影响，出现结果不准确的情况，而且需要花费大量的时间以及精力。针对这一情况从结构的角度分析探讨，铸造起重机金属结构疲劳裂纹扩展的内容具有很高的必要性将金属结构与材料结构的分析结果进行综合探讨，则能够很好的预测铸造起重机疲劳剩余寿命的相关数据以及指标。

铸造起重机的整个这些结构以及规模相对较大，在使用的过程当中，因为多种因素的共同影响会出现一系列的裂纹的情况，其中最常见的裂纹是疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展过程比较复杂，需要以概率断裂理论作为基础进行一系列的计算。而且在进行计算时，可以通过数学模型分析的方法了解每一个裂纹，扩展在各个阶段的时间，以及他在总寿命当中的所占比例。研究表明，当机械设备的彩板厚度达到0.012米的情况下，才可以对中心裂纹以及边缘裂纹产生的影响进行忽略。

在最近这几年，我国铸造起重机的机械使用概率越来越高，但是因为疲劳断裂所造成的事故也越来越多，一旦出现安全事故之后，就会带来非常严重的后果。因此在进行铸造起重机的日常管理工作时，我们必须要对它的金属结构胜于疲劳寿命进行准确的预估，并且在前期开展合理的维护和报废管理。一般情况下都是使用断裂力学以及疲劳积累损伤理论的方法，对它的剩余寿命进行预测。与此同时，还需要以他的裂纹扩展模型作为基础准确的估算出剩余的寿命，但是这种评估的方法比较保守，最终获得的结果偏低，也就是也没有到达报废的时间段，就已经进行了报废的决策。为了有效的解决这一问题，人们提出了表面裂纹中心穿透性裂纹，以及边缘穿透性裂纹的剩余寿命计算模型，并且根据这些裂纹的计算模型进行参数的计算。

2起重机金属结构疲劳裂纹扩展机理

从铸造起重机，金属结构疲劳裂纹断裂力学理论的角度进行分析，根据疲劳和断裂的裂纹的具体情况，我们可以将它分成三种不同的形式，分别是张开型，滑开型以及撕开型常见的形式，主要是张开型。铸造起重机金属结构的断裂过程可以分成三个不同的阶段。第1个阶段是低速率扩展的阶段，一般情况下这个阶段的裂纹扩展速度比较慢，但是它也会受到多种因素的共同影响。裂纹扩展的速率会随着应力强度因子幅度的变化而变化，一般情况下应力强度因子幅度减小，那么扩展速度也会减小，如果应力强度因子的幅度小于门槛应力强度因子的幅度，那么我们可以认为在低速率的扩展阶段，裂纹并不会出现扩展的情况。第2个阶段是中速率裂纹扩展的阶段，经过大量的实践研究以及试验，可以了解到在该阶段裂纹的扩展速度会受到应力循环次数应力强度因子幅度，裂纹处应力，幅值等指标的影响，第2个阶段都是人们在进行裂纹扩展寿命估算时的主要分析阶段。第3个阶段是高速率裂纹扩展的阶段，这个阶段不适宜进行铸造起重机金属结构，疲劳裂纹寿命长度的计算，所以可以忽略该阶段的寿命长度。

2.1表面裂纹

第1个阶段的铸造起重机金属结构，疲劳裂纹是表面裂纹的扩展，其实也就是在穿透之前的扩展，按照半椭圆的二维裂纹模型，针对表面裂纹扩展的情况进行分析，需要针对裂纹深度以及裂纹长度这两个方向的扩展内容进行探讨。裂纹深度的极限尺寸也就是副板的厚度，裂纹的扩展的位置。正常情况下的疲劳裂纹扩展会控制在一定的范围之内，两自由度半椭圆裂纹，会在常幅载荷下的疲劳裂纹扩展。

2.2中心穿透型裂纹和边缘穿透型裂纹

第2个阶段是中心穿透型的裂纹扩展，如果在第1个阶段表面裂纹的深度等于整个板的厚度，而且结构没有被破坏，那么就是会进入到中心穿透型的裂纹扩展阶段，一旦裂纹出现贯穿的情况之后，就会出现快速扩展的情况，特别是椭圆的裂纹形状会因为表面裂纹前后表面的拉伸而出现快速破裂，所以我们可以将这种类型的裂纹称之为中心穿透性裂纹。中心穿透型的裂纹，最后尺寸很有可能是中心裂纹的临界尺寸。第3个阶段的裂纹是边缘穿透型的裂纹，如果经历了第2个阶段的中心裂纹之后，整个结构仍然没有被破坏，那么就会进入到这个阶段，它是向上扩展的一个阶段，最后的尺寸是边缘裂纹的临界尺寸。

结束语

铸造起重金金属结构的疲劳裂纹扩展研究，需要以线弹性断裂力学作为基础进行一系列的探讨，因为在进行预测的过程当中，需要针对裂纹扩展公式进行使用以及分析，所以最终计算出来的数据和结果更科学合理。以计算公式作为基础，获得最终的计算结果，可以看出当裂纹的长度大于40毫米时，整个起重机得剩余使用年限会呈现出大幅度下降的趋势。嗯。将数据以及信息纳入到公式当中进行计算，理论上铸造起重机的使用年限是48.5年，使用计算机仿真系统进行计算，最终获得的结果是47.8年具有较高的吻合度，相对误差为1.44%，所以最终的仿真结果具有较高的可信度。在进行起重机维修和报废的管理工作，是以系统作为基础进行一系列的计算以及仿真研究，可以提高起重机维修报废管理的效率，同时也为整个管理和决策提供了更多的数据基础。