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摘要：为了提高冶金起重机结构的安全性和寿命，文章基于Q690高强度钢的振动特性和疲劳性能，通过有限元分析和疲劳损伤累积理论，深入分析了关键结构部位的应力分布、疲劳危险区域和寿命预测。分析认为，Q690钢的高强度和弹性模量有助于提高结构稳定性，但局部应力集中可能会导致疲劳失效。结果表明，优化设计与维护策略可显著延长起重机的使用寿命。
关键词：Q690高强度钢；冶金起重机；疲劳分析
Q690高强度钢因其卓越的承载能力和优异的机械性能，广泛应用于重型机械与结构，尤其是冶金起重机。随着工业需求的增加，对起重机的性能稳定性和安全性的要求也随之提高，尤其是在疲劳性能方面。因此，深入分析Q690高强度钢在冶金起重机中的应用，探讨其振动特性和疲劳性能，对于优化设计和提高机械安全性具有重要意义。
1 Q690高强度钢冶金起重机振动特性分析
Q690钢是一种低合金高强度结构钢，具有较高的屈服强度和抗拉强度，这使得其在承受重负荷时具备优异的承载能力和较小的形变量。该材料的弹性模量约为210GPa，密度大约为7850kg/m3，泊松比在0.3左右。这些基础物理性质直接关联到冶金起重机在使用过程中的振动响应。弹性模量是衡量材料抗形变能力的物理量，它决定了起重机结构在受力时的刚度，进而影响振动的频率［1］。高弹性模量的Q690钢使得起重机在运行或者起吊重物时，其结构部件的振动频率增加，振幅减小，从而提高了整机的稳定性和操作安全性。材料的密度直接影响到结构的质量，进而影响到自然振动频率。在相同尺寸和形状的条件下，高密度的Q690钢构造的起重机比低密度材料的振动频率要低，这有助于减少在长时间运营中由于振动累积引发的疲劳损伤。
2 Q690高强度钢冶金起重机疲劳分析方法
2.1疲劳载荷谱的确定
在基于Q690高强度钢的冶金起重机疲劳分析中，确定疲劳载荷谱是分析起重机结构疲劳性能的关键步骤。通过在吊钩、主梁、支腿等关键结构部件上安装传感器系统，收集起重机的载荷数据，能够实时监测起重机在各种工作状态下的力学行为。这些传感器可以测量和记录操作过程中由于提升重物、机械移动、外部环境影响（如风载）等因素产生的静载荷和动载荷。
对于载荷数据的分析，主要包括载荷的类型（静态或动态）、大小、频率和周期性的识别。载荷的周期性特别重要，因为其直接关联到疲劳裂纹的形成和扩展。起重机在重复提升重物时，其结构会经历周期性的载荷变化，这种变化是疲劳裂纹形成的主要原因［2］。疲劳载荷谱的建立通常采用Rainflow计数方法来将实时载荷数据转化为疲劳载荷谱。该方法能有效地从复杂载荷历史中提取出载荷循环，每个循环都对应一次从张力到压力的完整变化。具体表示为公式（1）：
式中：Ni是超过应力幅值Si的循环次数，m是载荷事件的总数，count（Sj>Si）表示在载荷事件j中，载荷幅值超过Si的次数。另外还需要结合材料的S-N曲线（应力-寿命曲线）来预测在不同应力水平下的疲劳寿命，Q690钢的S-N曲线可通过标准疲劳测试获得，从而为起重机设计和使用提供科学依据。
2.2应力分析方法
为了进行精确的应力分析，常用的数值方法是有限元分析（FEA）。这种技术能够提供结构在各种加载和支撑条件下的应力和变形的详细视图［3］。有限元分析的过程开始于建立一个详细的几何模型，该模型是根据起重机的实际尺寸和构造细节构建的。在这个模型中，整个起重机结构被划分成小的、有限的元素，这些元素通过节点相互连接。每个元素都可以模拟其材料属性，如Q690高强度钢的弹性模量、密度和泊松比等基本物理属性。
模型建立后，接下来是边界条件的设定。边界条件是模拟过程中定义的约束，它们影响模型的响应。对于冶金起重机而言，这些条件包括支撑点的位置、起重机的操作载荷（如提升的最大重量），以及环境条件（如风载）。正确设置这些边界条件是模拟真实世界操作的关键。在完成边界条件的设定后，FEA软件通过运用力学原理和数值方法计算每个元素的应力和变形。这一过程包括对整个结构的应力分布和热点（应力集中区）的检测，这些热点往往是潜在疲劳和故障的源头［4］。有限元分析的结果可以用于验证设计的安全性，优化结构的尺寸和形状，以及预测结构在长期使用中出现的问题。如果分析显示某些部分的应力超过了Q690钢的疲劳极限，设计团队需要考虑增加截面尺寸、改变几何形状或使用不同的材料。
2.3疲劳损伤累积理论
疲劳损伤累积理论是评估材料和结构在重复应力作用下的耐久性和寿命的关键工具。在基于Q690高强度钢的冶金起重机疲劳性能分析中，经常采用Miner规则来评估疲劳损伤的累积。Miner规则是一种广泛使用的线性累积损伤理论，它基于假设材料的疲劳损伤是可累积的，并且损伤累积到一定程度时会导致结构失效，Miner规则的基本形式可以用公式（2）表示：
式中：D是总的疲劳损伤指数，当D≥1时，预测结构将会发生疲劳失效。ni是在第i级应力水平下施加的循环次数，而Ni是材料在该应力水平下能承受的循环次数（即S-N曲线上的数据）。在应用Miner规则进行疲劳损伤分析时，首先需要通过实验或已有数据确定Q690高强度钢的S-N曲线，这是计算Ni的基础。然后，结合实际使用中通过传感器系统收集到的载荷数据，使用Rainflow计数方法从复杂的载荷历史中提取出各个应力循环，这样可以得到每个应力水平下的循环次数ni。通过有限元分析（FEA），能更精确地计算在特定工作条件下各部分的应力水平，结合Miner规则，可以评估每个关键部件在预定寿命内的疲劳损伤累积情况。
2.4疲劳寿命预测模型
疲劳寿命预测模型是理解和预测工程结构在周期性载荷作用下的耐久性的关键。对于Q690高强度钢构造的冶金起重机而言，S-N曲线（应力-寿命曲线）提供了一个基础模型来预测结构的疲劳寿命。S-N曲线描述了材料在不同应力幅度下能够承受的循环次数，直到发生疲劳失效。在工程实践中，S-N曲线通常呈现为一条对数曲线，表达形式通常为公式（3）：
式中：N代表材料在应力幅σ下能够承受的循环次数，A和b是材料相关的常数，这些参数通过实验获取。对于Q690高强度钢，实验数据会被用来拟合这个方程，确保预测的准确性。为了在实际工程应用中使用这一模型，首先需要通过有限元分析（FEA）计算出在各种操作条件下冶金起重机各关键部件的应力分布。这一步骤可以帮助识别受力最大的区域，这些区域往往是疲劳破坏的潜在位置。然后，结合收集到的载荷数据和S-N曲线，可以使用Paris Law进行裂纹扩展的预测，该法则通常表达为公式（4）：
式中：表示裂纹扩展速率，ΔK是应力强度因子的范围，C和m是材料特定的常数。结合裂纹扩展模型和S-N曲线，可以构建一个更全面的疲劳寿命预测模型。通过这种方式，不仅可以预测结构在未出现裂纹时的疲劳寿命，还可以评估一旦裂纹开始形成后的寿命预期。这对于维护计划和安全操作至关重要，能够确保起重机在安全的工作极限内运行，及时进行必要的维护或部件更换，从而避免潜在的结构故障和事故［5］。
3 Q690高强度钢冶金起重机疲劳性能分析
3.1关键结构部位应力分布
关键结构部位的应力分布是确保整体结构安全的重要考量。使用有限元分析（FEA）技术可以精确地模拟和评估起重机在各种操作条件下各关键部件的应力状态，特别是焊缝和连接点这些疲劳敏感区域。在进行有限元模拟时，首先建立一个准确的几何模型，并将整个起重机结构划分为数以万计的小元素和节点。这种详尽的细分有助于捕捉到在复杂载荷作用下结构应力的微小变化。对于Q690高强度钢的特定部位，如焊缝和连接点，模型中会特别标注和加强这些区域的网格密度，以确保分析的精度。对于通过有限元分析（FEA）得到的Q690高强度钢冶金起重机的关键结构部位应力分布数据，如表1所示，可以进行详细的数据分析以评估结构的疲劳性能和优化设计。
由表1数据分析可知，吊钩焊缝部位在重复载荷作用下表现出的最大拉应力为320MPa，平均应力为180MPa，这种应力集中表明焊缝根部极易发生疲劳裂纹。为提高焊缝的整体疲劳寿命，建议优化焊接工艺和后处理，减少应力集中。主梁连接点的弯曲应力分析显示最大应力达到410MPa，平均应力为230MPa，这一高应力区域需在设计和制造中特别关注，可通过增加截面面积或使用更高强度的连接件来分散应力。支腿接头的最大剪切应力为290MPa，平均应力为150MPa，集中在接头上下两侧，建议审查接头设计，考虑采用优化的几何形状或增强筋改善应力分布。转台焊缝的最大拉/压应力为360MPa，平均应力为210MPa，应力集中在焊缝过渡区域，建议使用预应力技术或改进焊接顺序和技术降低焊接残余应力，以增强结构的耐疲劳性能。
3.2疲劳危险区域识别
在Q690高强度钢制的冶金起重机的疲劳性能分析中，通过有限元分析（FEA）识别可能会发生疲劳破坏的区域是至关重要的。这一过程涉及了结构各关键部位的应力分布数据的详细分析，结合疲劳损伤理论，以预测不同部位的疲劳寿命。表2展示了基于FEA的冶金起重机关键部位的疲劳危险区域数据，反映了各部位在正常工作条件下的最大应力、平均应力以及根据S-N曲线预测的疲劳寿命。
由表2数据分析显示，主梁连接点显示最大应力值410MPa和平均应力230MPa，预测疲劳寿命为350000载荷循环，属于“极高风险”类别。吊钩焊缝和转台焊缝的最大应力分别为320MPa和360MPa，平均应力分别为180MPa和210MPa，相应的疲劳寿命为500000和400000载荷循环，被评为“高风险”。支腿接头的最大剪切应力290MPa，平均应力150MPa，预测寿命为700000载荷循环，为“中风险”。这些数据基于FEA模拟实际工作条件，有助于优化设计和维护策略，提高结构安全性。
3.3疲劳寿命评估
在对Q690高强度钢制冶金起重机进行疲劳寿命评估时，采用了综合的疲劳分析方法，结合有限元分析（FEA）所得的实际应力数据。该评估不仅侧重于理论预测，还通过实际操作数据来校验和调整预测模型，确保评估结果的精确性和可靠性。疲劳寿命的评估主要依赖于通过FEA得到的应力分布数据和材料的疲劳特性。基于S-N曲线，结合Miner规则和Paris Law，进行了详尽的疲劳寿命预测。此外，实际操作中收集的载荷和应力数据被用来进一步校正理论模型，以匹配实际使用条件，如表3所示。
由表3可见，实际评估的疲劳寿命普遍低于理论预测值，这主要是由于实际操作中的复杂载荷条件和偶发超载事件，这些因素在理论模型中往往被低估。例如，吊钩焊缝和转台焊缝的实际疲劳寿命分别低于理论预测值约10%和6%，这反映了实际使用中应力集中和动态载荷的影响。通过这种对比分析，可以更深入地理解结构部件在实际工作环境下的表现，并据此调整维护策略和设计改进。针对主梁连接点和吊钩焊缝这些表现出较大偏差的部位，需要采取增加材料强度、改进结构设计或调整焊接工艺等措施。
4结论
通过对Q690高强度钢冶金起重机的振动特性及疲劳性能进行全面分析，揭示了材料特性对结构稳定性和疲劳寿命的深刻影响。未来研究应进一步探索优化设计方案和改善维护策略，以提升起重机的操作安全性和工作效率，确保在实际应用中能够有效抵御疲劳损伤，延长设备使用寿命。
参考文献
［1］周继红，吕世宁，张广辉，等.铸造起重机结构疲劳再制造关键技术［J］.起重运输机械，2023（2）：14-19.
［2］庞瀛洲，张卫斌，李明，等.基于实测应力桥式起重机主梁疲劳寿命估算［J］.建筑机械，2022（11）：111-114.
［3］陈加军.冶金起重机主梁结构疲劳失效模式与维修加固研究［D］.南京：东南大学，2021.
［4］徐格宁，张永才，张魏唯.铸造起重机金属结构疲劳裂纹扩展分析［J］.机械设计与制造，2020（3）：13-17.
［5］王欣伟.热辐射环境下冶金起重机桥架材料的疲劳性能试验研究与仿真分析［D］.马鞍山：安徽工业大学，2019.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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基于Q690高强度钢的冶金起重机结构疲劳性能分析论文
人参与 2025-02-06 11:10:09 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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