一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法技术

本发明专利技术公开了一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，包括如下步骤：步骤一、计算初始裂纹尺寸a0；步骤二、计算临界裂纹尺寸ac；步骤三、计算疲劳裂纹扩展寿命NP：考虑等幅应力，将Paris公式积分，可得疲劳裂纹扩展寿命；步骤四、剩余寿命的确定：根据步骤三中计算出的疲劳裂纹扩展寿命NP除以寿命安全系数nN即为起重机金属结构剩余寿命。本发明专利技术是基于断裂力学裂纹扩展仿真的起重机金属结构剩余寿命计算方法，以期解决工程中疲劳数据缺乏和检测方法缺乏的问题，为今后相关规范规程的编制提供参考依据。

A Method for Calculating Residual Life of Crane Metal Structure with Crack Defects

【技术实现步骤摘要】
一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法
本专利技术属于起重机检测
，具体涉及一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法。
技术介绍
起重机构件在建造过程中，由于工艺不当、操作失误、钢液质量不佳等原因，难免会产生缺陷。缺陷的存在，对起重机构件的疲劳强度有显著影响。因此对缺陷的计算和寿命评估就成为起重产品质量和安全生产的必要保障。本专利技术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。目前，我国起重机金属结构的设计基本上仍然停留在经验设计和静强度设计阶段，桥架结构的疲劳设计仍使用应力比法和常规的无限寿命设计的方法——对桥架结构上可能的几个危险点或危险截面使用材料力学公式进行疲劳强度校核，以计算所得的安全系数不小于许用的安全系数作为疲劳强度的判据，使结构达到无限设计寿命。这种设计方法造成起重机金属结构静强度储备偏高，自重加大，限制了起重机向大吨位、大跨度、大高度和高速度方向发展；另一方面却往往事与愿违，很多通过疲劳校核计算的桥架在使用过程中仍然发生了早期疲劳失效，造成了严重的经济损失。这说明使用常规的疲劳设计方法在起重机的疲劳设计和寿命估算方面都存在不足，需要加以改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，解决工程中疲劳数据缺乏和检测方法缺乏的技术问题。本专利技术为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，包括如下步骤：步骤一、计算初始裂纹尺寸a0：对原始裂纹进行当量化处理，将其转化成规则化裂纹，根据规则化裂纹计算出初始裂纹尺寸a0；所述初始裂纹尺寸a0是指开始计算起重机金属结构剩余寿命时的最大原始裂纹尺寸；步骤二、计算临界裂纹尺寸ac：所述临界裂纹尺寸ac指在给定的受力情况下，起重机金属结构不发生脆断所容许的最大裂纹尺寸；临界裂纹尺寸ac根据以下原则确定：起重机金属结构的应力强度因子范围小于快速扩展区起点的应力强度因子范围；由于临界裂纹尺寸ac对疲劳寿命影响较小，用KIc的下限值代替快速扩展区起点的应力强度因子，由此可得：式中，KIc为材料的断裂韧度f为形状因子；σ为循环应力的最大值(MPa)；步骤三、计算疲劳裂纹扩展寿命NP：考虑等幅应力，将Paris公式积分，可得疲劳裂纹扩展寿命为：式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子范围，ΔK＝Kmax-Kmin；C为起重机金属结构的材料常数，m为直线斜率；步骤四、剩余寿命的确定：根据步骤三中计算出的疲劳裂纹扩展寿命NP除以寿命安全系数nN即为起重机金属结构剩余寿命。进一步改进，所述寿命安全系数可取为nN＝2～4。进一步改进，所述步骤三中，公式(2)积分可得：1)、若形状因子f与裂纹尺寸a无关，则：当m≠2时当m＝2时上式中，da/dN和ΔK的单位分别为mm/C和或分别为m/C和2)、若f值为裂纹尺寸a的函数，则可以把(ac-a0)分为若干段，用每段中裂纹尺寸a的平均值计算f和各段寿命Npi，各段寿命Npi之和即为从a0到ac的疲劳裂纹扩展寿命NP。进一步改进，所述步骤三中，疲劳裂纹扩展速率da/dN为应力强度因子范围ΔK的函数；da/dN与ΔK的关系在双对数坐标上是一条S形曲线，该曲线划分为三个区域：Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区；其中，Ⅰ区为不扩展区，这时ΔK<ΔKth，ΔKth称为界限应力强度因子或门槛值，在空气介质中满足平面应变条件的情况下，当da/dN＝10-8～10-7mm/c时，即认为其ΔK接近于ΔKth；Ⅱ区为条纹扩展区，其扩展机制为条纹机制，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要区域；在此区域，da/dN与ΔK在双对数坐标上呈线性关系，此区的裂纹扩展速率可以用著名的Paris公式表示：式中，ΔK为应力强度因子范围，ΔK＝Kmax-Kmin；C为起重机金属结构的材料常数，m为直线部分的斜率；Ⅲ区为快速扩展区，由于其扩展速率很高，因此Ⅲ区的裂纹扩展寿命很短，在计算疲劳裂纹扩展寿命时可以将其忽略。进一步改进，所述规则化裂纹共有三种，即表面裂纹、埋藏裂纹和穿透裂纹。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术是基于断裂力学裂纹扩展仿真来计算起重机金属结构剩余寿命的方法，以期解决工程中疲劳数据缺乏和检测方法缺乏的问题，为今后相关规范规程的编制提供参考依据。并可依托科技兴检背景，内容与国际研究前沿接轨，改善起重机焊接结构的疲劳性能，提高焊缝无损检测水平，具有重要的理论和现实意义。附图说明图1为本专利技术疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围的函数曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本专利技术实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，包括如下步骤：步骤一、计算初始裂纹尺寸a0：对原始裂纹进行当量化处理，将其转化成规则化裂纹，根据规则化裂纹计算出初始裂纹尺寸a0；可以通过浇注模拟计算，也可以用无损探伤方法检测出来。所述初始裂纹尺寸a0是指开始计算起重机金属结构剩余寿命时的最大原始裂纹尺寸；步骤二、计算临界裂纹尺寸ac：所述临界裂纹尺寸ac指在给定的受力情况下，起重机金属结构不发生脆断所容许的最大裂纹尺寸；临界裂纹尺寸ac根据以下原则确定：起重机金属结构的应力强度因子范围小于快速扩展区起点的应力强度因子范围；由于临界裂纹尺寸ac对疲劳寿命影响较小，用KIc的下限值代替快速扩展区起点的应力强度因子，由此可得：式中，KIc为材料的断裂韧度f为形状因子；σ为循环应力的最大值(MPa)；步骤三、计算疲劳裂纹扩展寿命NP：考虑等幅应力，将Paris公式积分，可得疲劳裂纹扩展寿命为：式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子范围，ΔK＝Kmax-Kmin；C为起重机金属结构的材料常数，m为直线斜率；步骤四、剩余寿命的确定：根据步骤三中计算出的疲劳裂纹扩展寿命NP除以寿命安全系数nN即为起重机金属结构剩余寿命。在本实施例中，所述寿命安全系数可取为nN＝2～4。在本实施例中，所述步骤三中，公式(2)积分可得：1)、若形状因子f与裂纹尺寸a无关，则：当m≠2时当m＝2时上式中，Δσ表示，da/dN和ΔK的单位为mm/C和或m/C和2)、若f值为裂纹尺寸a的函数，则可以把(ac-a0)分为若干段，用每段中裂纹尺寸a的平均值计算f和各段寿命Npi，各段寿命Npi之和即为从a0到ac的疲劳裂纹扩展寿命NP。在本实施例中，所述步骤三中，疲劳裂纹扩展速率da/dN为应力强度因子范围ΔK的函数；da/dN与ΔK的关系在双对数坐标上是一条S形曲线，如图1所示，该曲线划分为三个区域：Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区；其中，Ⅰ区为不扩展区，这时ΔK<ΔKth，ΔKth称为界限应力强度因子或门槛值，在空气介质中满足平面应变条件的情况下，当da/dN＝10-8～10-7mm/c时，即认为其ΔK接近于ΔKth；Ⅱ区为条纹扩展区，其扩展机制为条纹机制，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要区域；在此区域，da/dN与ΔK在双对数坐标上呈线性关系，此区的裂纹扩展速率可以用著名的Paris公式表示：式中，ΔK为应力强度因子范围，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、计算初始裂纹尺寸a0：对原始裂纹进行当量化处理，将其转化成规则化裂纹，根据规则化裂纹计算出初始裂纹尺寸a0；所述初始裂纹尺寸a0是指开始计算起重机金属结构剩余寿命时的最大原始裂纹尺寸；步骤二、计算临界裂纹尺寸ac：所述临界裂纹尺寸ac指在给定的受力情况下，起重机金属结构不发生脆断所容许的最大裂纹尺寸；临界裂纹尺寸ac根据以下原则确定：起重机金属结构的应力强度因子范围ΔK小于快速扩展区起点的ΔK；由于临界裂纹尺寸ac对疲劳寿命影响较小，用KIc的下限值代替快速扩展区起点的应力强度因子，由此可得：

【技术特征摘要】
1.一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、计算初始裂纹尺寸a0：对原始裂纹进行当量化处理，将其转化成规则化裂纹，根据规则化裂纹计算出初始裂纹尺寸a0；所述初始裂纹尺寸a0是指开始计算起重机金属结构剩余寿命时的最大原始裂纹尺寸；步骤二、计算临界裂纹尺寸ac：所述临界裂纹尺寸ac指在给定的受力情况下，起重机金属结构不发生脆断所容许的最大裂纹尺寸；临界裂纹尺寸ac根据以下原则确定：起重机金属结构的应力强度因子范围ΔK小于快速扩展区起点的ΔK；由于临界裂纹尺寸ac对疲劳寿命影响较小，用KIc的下限值代替快速扩展区起点的应力强度因子，由此可得：式中，KIc为材料的断裂韧度f为形状因子；σ为循环应力的最大值(MPa)；步骤三、计算疲劳裂纹扩展寿命NP：考虑等幅应力，将Paris公式积分，可得疲劳裂纹扩展寿命为：式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子范围，ΔK＝Kmax-Kmin；C为起重机金属结构的材料常数，m为直线斜率；步骤四、剩余寿命的确定：根据步骤三中计算出的疲劳裂纹扩展寿命NP除以寿命安全系数nN即为起重机金属结构剩余寿命。2.根据权利要求1所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述寿命安全系数可取为nN＝2～4。3.根据权利要求1或2所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，公式(2)积分可得：1)、若形状因子f与裂纹尺寸a无关，则：当m≠2时当m＝2时上式中，Δσ＝σma...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爽，丁树庆，张慎如，庆光蔚，胡静波，王会方，吴祥生，周前飞，赵凯，任金萍，
申请(专利权)人：南京市特种设备安全监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32