CN108051161B

CN108051161B - 一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法

Info

Publication number: CN108051161B
Application number: CN201711236184.1A
Authority: CN
Inventors: 吴佰建; 李兆霞; 郭华泾
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN108051161A

Abstract

本发明公开一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，包括如下步骤：对处于服役期的钢吊车梁进行检测，获得钢吊车梁中裂纹几何参数、轨道偏心距e₀、以及实际工作荷载下的吊车轮压P_y0；然后建立含裂纹的钢吊车梁的三维有限元模型，从上述模型中提取钢吊车梁裂纹前沿的应力强度因子K和约束效应表征参量T应力；考虑T应力对结构完整性的影响，修正R6失效判定准则；最后运用修正的R6失效判定准则判定钢吊车梁的结构完整性。该评估方法考虑了裂纹前沿的约束效应(T应力为表征参量)对吊车梁的结构完整性的影响，能够用于带有裂纹服役的钢吊车梁的安全生产评估，可以提高整体结构的安全储备，更好地保障含缺陷的钢吊车梁的安全生产。

Description

一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法

技术领域

本发明涉及一种钢吊车梁结构完整性评估方法，特别涉及一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，属于钢吊车梁安全生产评估领域。

背景技术

吊车梁长期承受由于吊车反复来回运动引起的循环载荷，再加之轨道偏心的影响，在腹板与上翼缘的焊缝附近容易形成疲劳裂纹。尤其是重级工作制吊车梁，操作频繁，检测到裂纹的现象较为普遍，且多为表面椭圆裂纹。

约束效应作为兴起于20世纪70年代的断裂概念，是表征试件的几何形状、裂纹配置以及加载方式对材料的断裂韧性的影响。大量研究证明，约束参量——T应力为正值时，会提高应力三轴度水平，降低材料的断裂韧性；T应力为负值时，会降低应力三轴度水平，提高材料的断裂韧性。所以，约束效应会很大程度影响上含缺陷结构的完整性。研究表明，在吊车轮压和水平载荷共同作用下，钢吊车梁的裂纹前沿会形成很大的正T应力，从而降低材料的断裂韧性。采用传统的结构完整性评估方法得出的结果会偏于乐观，从而消耗结构的安全储备，甚至引发工程事故。

因此，需要一种新的钢吊车梁的结构完整性评估的方法来解决上述问题。

发明内容

发明目的：由于传统的钢吊车梁结构完整性评估方法存在评估结果不当的问题，本发明针对带有裂纹服役的工业厂房的钢吊车梁的安全生产问题，提供一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法。

技术方案：本发明所述的一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，包括下述步骤：

步骤1，对处于服役期的钢吊车梁进行检测，获得钢吊车梁中裂纹几何参数、轨道偏心距e₀、以及实际工作荷载下的吊车轮压P_y0；

步骤2，根据步骤1获得的检测数据，运用有限元软件建立含裂纹的钢吊车梁的三维有限元模型；

步骤3，从上述有限元模型中提取钢吊车梁裂纹前沿的应力强度因子K和约束效应表征参量T应力；

步骤4，考虑T应力对结构完整性的影响，修正R6失效评定准则；

步骤5，运用修正的R6失效评定准则判定钢吊车梁的结构完整性。

上述步骤1中，主要检测钢吊车梁上翼缘与腹板的连接焊缝周围萌生的裂纹，然后用表面椭圆裂纹拟合实际裂纹，获得钢吊车梁中裂纹几何参数。裂纹几何参数包括裂纹的实际位置和尺寸，其中，裂纹尺寸包括裂纹的长半轴长度2c和短半轴长度2a。

步骤2中，建立所述三维有限元模型时，施加的载荷包括吊车轮压P_y和水平载荷P_x，其中，吊车轮压P_y的值介于吊车最小轮压值P_ymin和最大轮压值P_ymax之间，水平载荷P_x为吊车摆动等引起的横向水平力作用于每个轮压处的标准值，

P_x＝αP_ymax (1)

上式中，α为竖向荷载向横向荷载转换的经验系数，对于软钩吊车，α＝0.1；对于抓斗或磁盘吊车，α＝0.15；对于硬钩吊车，α＝0.2。

上述步骤3中，可在每一个吊车轮压P_y值的工况下，从含裂纹的钢吊车梁三维有限元模型中唯一提取钢吊车梁裂纹前沿的应力强度因子K和约束效应表征参量T应力。较优的，可将吊车轮压P_y值在最小轮压值P_ymin和最大轮压值P_ymax之间等间距取10组值，提取出对应的10组K和T应力值；其中，吊车轮压P_y的10组取值中最好包含最小轮压值P_ymin、最大轮压值P_ymax以及实际工作荷载下的吊车轮压P_y0。

上述步骤4中，优选以R6失效评定曲线中的选择1曲线为基础，对其进行修正后作为含裂纹的钢吊车梁结构完整性评估准则；

其中，R6失效评定曲线的选择1曲线方程表达式为：

K_r＝f₁(L_r)＝(1-0.14L_r ²)(0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶)) (2)

修正后R6失效评定曲线方程的表达式为：

K_r＝f₁(L_r)＝(1-0.14L_r ²)(0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶))(1-0.5βL_r) (3)

上式中，K_r为结构失效评估图的纵坐标；Lr为结构失效评估图的横坐标，L_r＝P_y/P_ymax；P_y为吊车轮压，σ_y为材料屈服强度。

具体的，步骤5中，钢吊车梁的结构完整性评估包含以下步骤：

步骤51，将步骤3提取的T应力及对应吊车轮压值P_y带入公式(3)和(4)，得到含裂纹的钢吊车梁在轨道偏心距为e₀的工况下在结构失效评估图中的失效评定曲线；

步骤52，在结构失效评估图中，判定点(K₀/K_IC,L_r)与失效评定曲线的相对位置，若该点在曲线内侧表示安全，反之则是危险；其中，K₀为吊车轮压为P_y0、轨道偏心距为e₀的工况下的应力强度因子，K_IC为钢吊车梁制造钢材的断裂韧性值；

步骤53，若步骤52中点(K₀/K_IC,L_r)判定为危险，提取在最小轮压P_ymin工况下的K_min，判定点(K_min/K_IC,L_r)与失效评定曲线的相对位置，若该点在曲线内侧，则说明该刚吊车梁可以在限定的范围内使用，反之则维修加固后进行重新评估。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明的评估方法考虑了裂纹前沿的约束效应(T应力为表征参量)对吊车梁的结构完整性的影响，能够用于带有裂纹服役的钢吊车梁的安全生产评估，可以提高整体结构的安全储备，能够更好地保障含缺陷的钢吊车梁的安全生产。

附图说明

图1为本发明的一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法流程图；

图2为实施例中厂房内的吊车车轮分布图；

图3a和图3b分别为偏心距e＝21mm，裂纹长短轴比a/c＝0.5、0.75、1.0时的应力强度因子K和T应力曲线；

图4为未经过修正的R6结构失效评估示意图；

图5为偏心距e＝21mm，裂纹长短轴比a/c＝0.5、0.75、1.0时的吊车梁结构完整性评估图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，从断裂力学的观点出发，针对带有裂纹服役的钢吊车梁给出了一种合于使用的钢吊车梁结构完整性评估的方法。

实施例

以国内某工业厂房的钢吊车梁的完整性评估为例，对本发明的评估方法进行详细说明；厂房内的吊车车轮分布情况如图2。

步骤1、检测工业厂房内钢吊车梁上翼缘与腹板连接焊缝附近出现的裂纹，用表面椭圆裂纹拟合实际裂纹，获得钢吊车梁中裂纹几何参数，包括裂纹的实际位置和尺寸，(即裂纹的长半轴长度2c和短半轴长度2a)、轨道偏心距e₀、以及实际工作荷载下的吊车轮压P_y0；

步骤2、建立含裂纹的钢吊车梁三维有限元模型；

根据步骤1中的检测数据，运用有限元软件ABAQUS建立含裂纹的吊车梁三维有限元模型时，施加的载荷包括吊车轮压P_y和水平载荷P_x，计算方法分别为：

(a)吊车轮压P_y，每一台吊车，最小轮压值P_ymin和最大轮压值P_ymax是固定的，工作轮压值必须介于两者之间；吊车轮压的基本属性如下表1。

表1吊车轮压基本属性表

(b)水平载荷P_x，根据《钢结构设计规范(GB 50017-2003)》的要求，由于吊车摆动等引起的横向水平力作用于每个轮压处的标准值为：

P_x＝αP_ymax (1)

其中，α为……，软钩吊车α＝0.1，抓斗或磁盘吊车α＝0.15，硬钩吊车α＝0.2。

步骤3、提取吊钢车梁裂纹前沿的应力强度因子K和约束效应的表征参量T应力；

K和T的提取方案为：对于每一个吊车轮压P_y值的工况下，可以从ABAQUS三维有限元模型中唯一提取到K和T应力；轮压P_y值在最小轮压值和最大轮压值之间等间距取10组值(包含最小轮压值P_ymin、最大轮压值P_ymax以及实际工作荷载下的吊车轮压值P_y0)，提取出裂纹前沿各位置的K和T应力值(10组)。图3a和3b分别显示了某个P_y作用下，裂纹前沿的K和T应力值，图中横坐标表示裂纹前沿点的位置(用角度表示，在0°到180°之间变化)。

步骤4、考虑T应力对结构完整性的影响，修正R6失效准则；

R6失效双判据是广泛运用于各种含缺陷结构的断裂评估准则，本发明选用的是R6失效评定准则中的选择1曲线的修正准则对含裂纹的钢吊车梁进行结构完整性评估。

R6失效评定曲线的选择1曲线方程的表达式如下式(2)：

K_r＝f₁(L_r)＝(1-0.14L_r ²)(0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶)) (2)

考虑约束参量T应力对结构完整性的影响，修正后R6失效评定曲线方程的表达式为：

K_r＝f₁(L_r)＝(1-0.14L_r ²)(0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶))(1-0.5βL_r) (3)

式中，K_r为结构失效评估图的纵坐标；Lr为结构失效评估图的横坐标，L_r＝P_y/P_ymax；P_y为吊车轮压，σ_y为材料屈服强度。

步骤5、运用修正的R6失效评定准则判定吊车梁的结构完整性；

首先将步骤3中提取的T应力以及对应吊车轮压值P_y带入公式(3)和(4)，得到带裂纹(检测到的表面椭圆裂纹)的吊车梁在轨道偏心距为e₀的工况下在结构失效评估图中的失效评定曲线，如图5；

然后在结构失效评估图中，判定点(K₀/K_IC,L_r)与失效评定曲线的相对位置，若该点在曲线内侧表示安全，反之则是危险；其中，K₀为吊车轮压为P_y0、轨道偏心距为e₀的工况下的应力强度因子，K_IC为钢吊车梁制造钢材的断裂韧性值。本实施例中，实验数据得出的Q345钢材的断裂韧性值(材料常数)为K_IC为＝1612MPa.mm^1/2；当a/c＝1，P_y0＝P_ymax时，K₀＝310MPa.mm^1/2，Kr＝K₀/K_IC＝0.192，对应的失效值为0.416，点(K₀/K_IC,L_r)落在失效评定曲线内侧，吊车梁的状态是安全的。并且在其他车轮压P_y0工况下吊车梁的对应评估点(K₀/K_IC,L_r)均落在失效评定曲线内侧，本案例中的评估结果为“安全”。

在实际情况中，若上一步中点(K₀/K_IC,L_r)在失效曲线外侧则判定为危险，此时需要提取在最小轮压P_ymin工况下的K_min，判定点(K_min/K_IC,L_r)与失效评定曲线的相对位置，若该点在曲线内侧，则说明该刚吊车梁可以在限定的范围内使用。反之则需要维修加固并进行重新评估。

Claims

1.一种考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立所述三维有限元模型时，施加的载荷包括吊车轮压P_y和水平载荷P_x，其中，吊车轮压P_y的值介于吊车最小轮压值P_ymin和最大轮压值P_ymax之间，水平载荷P_x为吊车摆动引起的横向水平力作用于每个轮压处的标准值，

P_x＝αP_ymax (1)

上式中，α为竖向荷载向横向荷载转换的经验系数，对于软钩吊车，α＝0.1；对于抓斗或磁盘吊车，α＝0.15；对于硬钩吊车，α＝0.2；

步骤4，考虑T应力对结构完整性的影响，修正R6失效评定准则：以R6失效评定曲线中的选择1曲线为基础，对其进行修正后作为含裂纹的钢吊车梁结构完整性评估准则；修正后R6失效评定曲线方程的表达式为：

K_r＝f₁(L_r)＝(1-0.14L_r ²)(0.3+0.7exp(-0.65L_r ⁶))(1-0.5βL_r) (3)

上式中，K_r为结构失效评估图的纵坐标；Lr为结构失效评估图的横坐标，L_r＝P_y/P_ymax；P_y为吊车轮压，σ_y为材料屈服强度；

2.根据权利要求1所述的考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，步骤1中，检测钢吊车梁上翼缘与腹板的连接焊缝周围萌生的裂纹，用表面椭圆裂纹拟合实际裂纹，获得钢吊车梁中裂纹几何参数。

3.根据权利要求2所述的考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，步骤1中，所述钢吊车梁中裂纹几何参数包括裂纹的实际位置和尺寸，其中，裂纹尺寸包括裂纹的长半轴长度2c和短半轴长度2a。

4.根据权利要求1所述的考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，步骤3中，在每一个吊车轮压P_y值的工况下，从含裂纹的钢吊车梁三维有限元模型中唯一提取钢吊车梁裂纹前沿的应力强度因子K和约束效应表征参量T应力。

5.根据权利要求4所述的考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，将吊车轮压P_y值在最小轮压值P_ymin和最大轮压值P_ymax之间等间距取10组值，提取出对应的10组K和T应力值；其中，吊车轮压P_y的10组取值中包含最小轮压值P_ymin、最大轮压值P_ymax以及实际工作荷载下的吊车轮压P_y0。

6.根据权利要求1所述的考虑约束效应的钢吊车梁结构完整性评估方法，其特征在于，步骤5中，所述钢吊车梁的结构完整性评估包含以下步骤：

步骤53，若步骤52中点(K₀/K_IC,L_r)判定为危险，提取在最小轮压P_ymin工况下的K_min，判定点(K_min/K_IC,L_r)与失效评定曲线的相对位置，若该点在曲线内侧，则说明该钢吊车梁能够在限定的范围内使用，反之则维修加固后进行重新评估。