陳 昆 鄒浩陽 宋 婷 黃鐘韜武漢理工大學 物流工程學院 武漢 430063
摘 要：起重機械作為一種高風險性設備，其結構的安全性和可靠性具有重要意義。在其使用運行期間，易因各種原因造成其部件形成缺陷。針對更換設備受損部件周期較長的問題，提出採用補強技術來修復高風險性設備的受損部件。由於傳統的理論計算公式並不能很好地進行具體受損部件的強度計算，故以有限元方法模擬不同修復模型後受損部件的應力分布情況。結果表明：不同修復模型下受損部件的應力分布情況差異較大，採用合理的修復模型可使結構滿足強度要求。在理論分析的基礎上進行試驗研究，結果證明了修復模型的有效性。研究結果可為設備受損部件在服役壽命預估等方面提供基礎信息。
關鍵詞：起重機械；受損設備；有限元；結構修復；設計
中圖分類號：TH21 文獻標誌碼：A 文章編號：1001-0785（2018）06-0156-04
0 引言起重機械屬於重型關鍵設備，在行業主要承擔工藝生產過程空中物料的運輸，一般情況下其工作環境惡劣、受載情況複雜。某起重機械因某種原因導致吊具受損，但由於吊具更換周期長，導致施工方工期延誤，經濟損失較大。對於這些高風險大型設備如何能夠安全、高效地進行修復成了工程上一個重要的問題。
目前，指導計算吊具耳板強度的專業性標準仍較少且應用面較窄。如美國材料與試驗協會ASTM 發布的碳素鋼吊耳標準規範，即ASTM A 489 － 2003《StandardSpecification for Carbon Steel Lifting Eyes》。而國內吸取了國外經驗後，也提出了一些吊具耳板計算強度的標準，如行業標準- 機械(CN-JB) 發布的JB/ZQ4629 － 2006 與JB/ZQ 4628 － 2006。在實際工程應用中，其難度在於：1）吊耳尺寸形狀各異，難於採用已有的強度計算公式進行分析。2）由於焊縫等因素影響，修復後的危險截面不止存在於理論公式所述位置。故採用有限元方法對吊耳在吊裝過程中的危險截面進行分析，以受損吊具為對象，以求較合理方案進行修復。可對高風險性設備的設計、校核及修復提供思路與指導。
1 理論分析在起重機結構的銷軸連接中，耳環有相當大的剛度，耳孔與銷軸間有一定的間隙，根據這一特點可假定孔壁上載荷按照正弦規律分布（見圖1），據此可求出耳環危險截面，即圖2 中A － A 截面和B － B 截面上的內力，並根據彈性曲梁公式，求得這兩個截面上的最大應力值，其計算公式為
式中：P 為耳孔上所受總的外力；A 為耳環截面積，A =δ h ，h 為耳環截圖高度，δ 為耳環的厚度；R 為耳環截面重心處的曲率半徑。
在實際工程中由於結構的複雜和應力狀態的複雜，吊具結構的應力場的解析解較難得到，三維有限元方法是目前採用較為普遍的研究方法之一，隨著工程中複雜結構的廣泛應用，利用有限元分析也是切實可靠的。
圖 1 吊耳應力分析圖
2 數值模擬2.1 設計參數以冶金起重機橫梁吊具損傷耳板為研究對象，耳板材料為Q345 鋼，屈服強度為345 MPa，彈性模量E ＝206 GPa，泊松比μ ＝ 0.2，具體尺寸見圖2。
圖 2 耳板具體尺寸圖
2.2 數值模型
應用Ansys 軟體，採用6 自由度，具有大變形能力的Shell 單元，建立整個吊耳的幾何模型並進行網格劃分，如圖3 所示。分別建立部分切除、整體切除的4 種吊具模型，分析這4 種模型的應力縫補，並選擇較優模型進行實際修復。
圖 3 吊耳整體有限元模型
模型1：直接在原損傷區域周圍割除長度為594mm，高度為70 mm，與原吊具等寬的部位。選取材質與母材相同等厚的板，與原耳板間通過對接焊接進行連接。
模型2：在模型1 的基礎上，為避免應力集中的情況，對原損傷的部位進行橫向直線整體切除，高度為50 mm，寬度與原吊具等寬。選擇一塊材質與母材相同等厚的板，與原耳板間通過對接焊接進行連接。
模型3：在模型1 的基礎上，為避免應力集中的情況，對原損傷的部位進行橫向直線整體切除，高度為60 mm，寬度與原吊具等寬。選擇一塊材質與母材相同等厚的板，與原耳板間通過對接焊接進行連接。
模型4：在模型1 的基礎上，為避免應力集中的情況，對原損傷的部位進行橫向直線整體切除，高度為70 mm，寬度與原吊具等寬。選擇一塊材質與母材相同等厚的板，與原耳板間通過對接焊接進行連接。
3 結果分析3.1 各種模型的危險截面應力值經過多次計算並將分析結果匯總，可得到如圖4、圖5 所示結果。圖中橫坐標z / t 為在截面A － A 與截面B － B 由內至外的比值，縱坐標為結構所受應力值，並得到以下結論：
1）局部割除的損傷區域正好處在吊具應力集中處，產生的最大應力值已超過許用應力值，修復效果較差。
2）相比於局部割除模型，整體割除能避免應力集中的情況，對受損吊具的修復效果更好，同時不同的割除高度對結構應力分布也有一定影響。
圖 4 4種模型 A -A截面應力值
圖 5 4種模型 B-B截面應力值
3.2 採用較優模型由有限元模擬結果可以看出，吊耳經過整體切除與修復後，在3種不同工況下產生的最大應力為137.9MPa，且在焊縫處的最大應力為76.8MPa，遠遠小於Q345鋼的許用應力，該模擬結果說明該模型的有效性與可靠性。具體數值如表1所示。
有限元仿真結果如圖6所示，由圖可知修復後最大應力值為137.9MPa，大幅度改善了損壞吊耳應力集中的問題，同時焊縫處的最大應力為76.8MPa，應力值較小，滿足許用應力要求。
圖 6 180 t動載下吊具應力雲圖
4 強度試驗
為了驗證模型4的有限元結果的正確性，修復後對吊具進行現場力學性能試驗。由於需著重檢測焊縫附近母材及焊接板承受載荷的能力，故根據仿真結果在耳板焊縫處與截面均布直角應變花，將直角應變花3個方向的應力測試值後合成其主應力值，並確認主應力作用方向。
由應變儀測出的3個方向的應力值為σ 1、σ 2、σ 3，則直角應變花3個線應變分別為
由式(3)可求得測點處的3個應變分量xε 、 和 ，即
再由
確定主應變方向，然後由式(4) 確定主應變和切應變為
則測點的主應力為
，剪應力為
根據第四強度理論，確定合成應力為
根據式(5) 由試驗應力值計算合成應力，對仿真結果做了比較，結果如圖7、圖8 所示。從圖7、圖8 中的數據可知，最大誤差不超過5%，驗證了有限元模型的正確性。
圖7 B-B 截面應力值對比圖5 結論1）由於理論公式的普適性較低，實際工程中可以使用有限元方法對結構應力分布進行計算分析，並進行試驗，驗證了有限元模型是可靠的，可行的。2）根據5 種模型的應力分布情況可知，修復區域應當避免應力集中區域，可使修復後結構應力分布符合強度要求且更合理。
圖 8 焊縫處應力值對比圖
3）對於同類高風險性設備的受損修復，本文具有一定的借鑑和參考價值。同時，研究結果可為設備受損部件在服役壽命預估等方面提供基礎信息。
參考文獻[1] ASTM A 489 － 2004 碳素鋼吊耳標準規範 [S].[2] 王俊強，何仁洋 . 含缺陷管道複合材料修復後承壓能力研究 [J]. 壓力容器，2015，32(9)：59 -65.[3] 張海榮 . 海洋平臺起重機吊臂受損修復技術 [J]. 起重運輸機械，2015(8)：115-117.[4] 高福聚 . 板式吊耳局部應力有限元分析研究 [C]. 第十六屆全國現代結構工程學術研討會論文集，2016.[5]Duong C N.An engineering approach to geometrically nonlinear analyses of a one-sided composite repair under thermomechanical loading[J].Composite Structures，2004，64(1)：13-21.[6] 董達善 . 起重機械金屬結構 [M]. 上海：上海交通大學出版社，2012.