结构故障诊断课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,结构故障诊断与安全性评价,结构故障诊断与安全性评价,1,参考资料,1、工程断裂力学基础/洪起超.,上海交通大学版,1987,.,2、结构完整性的评价、检验和监测:国际断裂力学2008年会论文集(英文,）,华东理工大学出版社,2008,3、,结构完整性评估,陈国华,科学出版社,2002,4、monthly Journal Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,(can be read on line),参考资料1、工程断裂力学基础/洪起超. 上海交通大学版,2,主要内容,裂纹与断裂,裂纹结构的承载,裂纹监控方法,裂纹维修方法,变形结构的承载,安全性评价方法,专题讨论,主要内容裂纹与断裂,3,第1章 绪 论,1.1概述,机械承载结构是由型材（板材、角钢、槽钢等）、铸件、和锻件等金属制件连接所制成并满足一定使用要求的工程结构。由于机械承载结构具有质量稳定、安全可靠、强度高、重量轻和制造工业化程度高等优点，已在工业各部门获得了广泛的应用。例如，交通运输业的车辆、船舶、飞机，机械工业上的重型机械、工程机械和搬运机械等无不采用机械承载结构。,第1章 绪 论1.1概述,4,结构故障诊断课件,5,结构故障诊断课件,6,机械承载结构在装配使用过程中，由于长期的机械载荷、环境温度和各类腐蚀条件的影响，结构件中常常产生宏观尺度的裂纹。,宏观裂纹的存在对机械承载结构的安全使用是一个严重的威胁，它的进一步扩展将会导致结构的断裂，造成生命财产的损失。,机械承载结构在装配使用过程中，由于长期的机械载荷、环境,7,结构故障诊断课件,8,1.2裂纹研究发展概况,从理论和实验的体系上研究金属的裂纹问题，始于1957年G.R.Irwin等人提出的应力强度因子概念， 1963年Paris提出了著名的公式da/dN=C(k)m。与此同时，研究人员开始注意到短裂纹行为的特殊性。继 Wells首先提出了COD法（即测量裂纹尖端张开度）来分析裂纹后，1968年Rice提出了J积分概念， 到70年代，人们发现，静态地考察裂纹尖端的应力场不能完全解释裂纹引起的快速断裂，从而又发展了断裂动力学。,1.2裂纹研究发展概况从理论和实验的体系上研究金属的裂纹,9,13结构裂纹研究的现状及发展趋势,1.3.1微观裂纹的研究,目前对短裂纹研究的方法主要有：,（1）实验观察,（2）理想微裂纹系统模型,（3）蒙特卡洛模拟,（4）统计方法与随机分布预测材料疲劳寿命,13结构裂纹研究的现状及发展趋势1.3.1微观裂纹的研究,10,对短裂纹，其值得进一步研究的问题有：,裂纹群体内的相互作用，裂纹的萌生与发展；,大量短裂纹的集体行为与材料细观结构在其中所起的作用；,利用已有知识建立模型，并对材料疲劳作出预测。,对短裂纹，其值得进一步研究的问题有：,11,1.1.2宏观裂纹的研究,对结构长裂纹的研究由来已久 ，长裂纹的研究仍是结构裂纹研究的重点，研究内容包括以下几个方面：,1.1.2宏观裂纹的研究 对结构长裂纹的研究由来已久 ，长裂,12,1）某一特定材料长裂纹的特性的研究,2）对已有线弹性断裂理论及弹塑性断裂理论进行更进一步完善的研究,3）对结构上已有长裂纹的识别,4）求解实际长裂纹特性参数分析方法的研究,5）宏观裂纹修复方法的研究,6）动态起裂与止裂控制的研究,7）对材料裂纹的实验及实验方法的研究,8）对工程结构中裂纹问题的研究,1）某一特定材料长裂纹的特性的研究,13,飞机结构静力测试系统,飞机结构静力测试系统,14,结构故障诊断课件,15,日本大阪地震,日本大阪地震,16,桥梁橡胶隔震装置三轴试验,桥梁橡胶隔震装置三轴试验,17,梁柱板结构拟静力试验,梁柱板结构拟静力试验,18,声发射检测原理,声发射是材料在应力作用下发生微观活动而释放出应力波的一种物理现象。声发射检测技术就是利用材料声发射的原理对材料中动态活动缺陷进行检测的技术。,声发射检测相对于其它无损检测技术而言，具有动态、实时、整体、连续等特点。,可以得到有关缺陷活动的强度、严重性、位置等信息。相关分析还可进一步得到活动缺陷随载荷、温度、应力、应变、疲劳周次等变化的信息。,声发射检测原理,19,检测设备,美国PAC公司全数字式40通道DiSP声发射系统,可以实时提取声发射特征参数和波形存储,可以实现软件控制的16频段频率滤波,可实现全参数滤波、波形滤波、区域定位、线定位、平面定位、三维定位、球面定位、任意参数相关图、图形滤波、波形显示、频谱分析等功能。,检测设备,20,传感器布置实例照片,传感器布置实例照片,21,装船机,装船机是港口码头进行煤炭和矿石自动装船的大型桁架式吊臂梁机械，其吊臂梁可以完成俯仰、伸缩等动作，整个吊臂梁净重约120吨,装船机,22,试验结果分析 声发射定位结果,试验结果分析 声发射定位结果,23,第2章 港口门座起重机金属结构裂纹的调查与分析,2.1概论,裂纹是影响金属结构安全工作的重要隐患之一。长期以来，港口门座起重机金属结构的裂纹问题一直是从事港口相关工作各方人员所关注，是影响港口装卸作业效率的基本因素之一。,为了弄清港口起重机金属结构裂纹的实际状况，了解裂纹在金属结构缺陷中的分布情况及严重程度，更好地为研究工程结构裂纹的具体问题服务，我们对上海港、天津港、广州港、大连港、厦门港、营口港、武汉港等全国的主要海港及内河港口的门座起重机金属结构裂纹问题进行了一次比较全面的调查，获得了大量的第一手资料。,第2章 港口门座起重机金属结构裂纹的调查与分析2.1概论,24,2.2调查情况,为了能够最直观地反映调查情况，本文将有代表性的裂纹及裂纹修复（照片中的椭圆形区域）照片列举如下 ：,2.2调查情况为了能够最直观地反映调查情况，本文将有代表性的,25,右图为广州黄浦港务公司一台M530起重机，该机1979年1月投入使用，1995年2月，其臂架的上翼缘板出现横向裂纹,右图为广州黄浦港务公司一台M530起重机，该机1979年1,26,此图与上图为同一台门机，1990年11月，在其臂架的下翼缘板出现裂纹，通过在裂纹表面贴焊钢板进行修补，1994年，贴焊板上又出现裂纹，在裂纹前端钻直径为6至8毫米的止裂孔，割除原来的贴板，重新贴焊钢板。,此图与上图为同一台门机，1990年11月，在其臂架,27,图2.3,图2.3为广州港洪圣沙装卸作业站一台GANZ530门座起重机，该机由匈牙利制造，1966年投入使用，1997年5月，在其机房下底板出现裂纹，此图为修理后的情况。,图2.3为广州港洪圣沙装卸作业站一台GANZ53,28,图2.4为武汉港M1025门座起重机，1982年投入使用，1994年，支腿与转盘连接法兰的焊缝出现较长的裂纹。,图2.4,图2.4为武汉港M1025门座起重机，1982年投入使用，,29,图2.5,图2.5为厦门港东渡港务公司M1030门座起重机，该机支腿与转盘连接法兰处箱角母材出现裂纹，图为裂纹补焊后的情况。,结构故障诊断课件,30,图2.6为天津港M1633门机圆筒结构母材出现的长度达750毫米的裂纹，该门机1994年投入运营，1997年出现裂纹。图为工程技术人,员在测量已被补焊后的,裂纹，该裂纹采用直接,补焊裂纹，并加强裂纹,周边板的方法进行修复。,图2.6,图2.6为天津港M1633门机圆筒结构母材出现的长度达750,31,图2.7,图2.7为大连港西部作业区的一台M1030型门机转台的后方出现裂纹，裂纹的长度达到300毫米。,结构故障诊断课件,32,图2.8为上海港军工路M103002型门机的上支撑环与支腿连接出内侧全部出现裂纹，图为裂纹补焊后的情形,图2.8,图2.8为上海港军工路M103002型门机的上支撑环与支腿,33,图2.9,图2.9为上海港新华公司M103002型门机臂架拎点（上翼缘板）附近出现裂纹，裂纹清晰可见。,结构故障诊断课件,34,图2.10为上海港煤炭公司M103002型门机平衡梁处出现裂纹，图为用厚板进行塞焊修复裂纹后的情形。,图2.10,图2.10为上海港煤炭公司M103002型门机平衡梁处出现,35,图2.11为上海港南浦公司M1030门机臂架下翼缘板中间出现严重开裂，图为修复时的情景,图2.11,图2.11为上海港南浦公司M1030门机臂架下翼缘板中间出,36,图2.12为上海港新华公司M1030门机变幅齿条面板出现裂纹，其裂纹长度为100毫米左右，图为裂纹被补焊后的情形。,图2.12,图2.12为上海港新华公司M1030门机变幅齿条面板出现裂纹,37,图2.13,图2.13为营口港M1030门机臂架多处出现裂纹，图为两处较明显且集中裂纹被修复后的情况。,图2.13为营口港M1030门机臂架多处出现裂纹，图为两处较,38,图2.14为上海港南,浦公司M1030门机,臂架下翼缘板出现,的形状特殊的裂纹。,该门机1978年投入,运营，1997年出现,此裂纹。,图2.14,图2.14为上海港南,39,2.3 调查分析,通过对全国各主要港口门座起重机金属结构故障的调查和归纳总结106，各港口门座起重机金属结构故障状况及综合所有被调查港口门座起重机金属结构故障状况分别如表2.1和表2.2。,2.3 调查分析通过对全国各主要港口门座起重机金属结构故障的,40,表2.1门座起重机金属结构故障情况调查,注：上海港、天津港、大连港对结构裂纹比重虽未作具体统计，裂纹仍,然是最主要的故障。,港 口 名 称,调 查 台 数,金属结构主要故障,裂纹所占比重,广 州 港,68,折断、裂纹、变形、,90%,厦 门 港,9,折断、裂纹、变形、腐蚀,70.96%,汉 阳 港,14,裂纹、变形、锈蚀,73.5%,上 海 港,63,折断、裂纹、变形,天 津 港,26,裂纹、变形、锈蚀,大 连 港,69,裂纹、变形、锈蚀,表2.1门座起重机金属结构故障情况调查港 口 名,41,表2.2 门座起重机裂纹所在部位分布情况,裂 纹 部 位,所 占 比 例,机房与转柱连接处,24.11%,法兰盘与支腿连接处,24.82%,配重、平衡重、支撑铰,16.31%,人 字 架,1.4%,小 拉 杆,6.3%,大 拉 杆,4.96%,象 鼻 梁,3.5%,臂 架,12.76%,其 它,5.6%,表2.2 门座起重机裂纹所在部位分布情况裂 纹 部 位所,42,由调查结果可知：港口门座起重机金属结构在正常运营一段时期后（一般为10年左右），金属结构就会出现不同形式的故障。常见的故障形式有结构变形、裂纹、锈蚀、断裂等，其中裂纹是金属结构的最主要故障，它是影响门座起重机安全运行的最大隐患，也是有关各方关注的焦点。,从裂纹发生的部位来看，裂纹一般在重要的承载构件上，这些地方受力比较复杂。有些裂纹发生在焊缝上，然后向母材扩展。,由调查结果可知：港口门座起重机金属结构在正常运营一段时期,43,2.4俄罗斯门机结构故障情况,门座起重机金属结构的故障（主要为裂纹）在俄罗斯表现得也很普遍，很严重，并发布了门座起重机金属结构故障检验和裂纹修理的标准化指导文件。图2.15为俄罗斯某一类型的门座起重机示意图，其金属结构故障部位和故障情况如表2.3。,图2.15俄罗斯某门座起重机故障感部位示意图,2.4俄罗斯门机结构故障情况 门座起重机金,44,表2.3门座起重机裂纹部位,图上的位置号,检 验 部 位,可 能 的 故 障,1,门 腿,门腿和行车台架连接变松或螺栓丢失,2,支 撑 环,支撑齿圈的立柱腹板和翼缘板出现裂纹,3,支 撑 环,止推轴颈和门腿顶部螺栓变松,4,环 形 滚 道,轨 道 螺 栓 变 松,5,臂 架 铰 支 座,裂 纹,6,臂 架两端叉口板,上、下 耳 孔 板 根 部 附 近 裂 纹,7,对 接 组 件,组 件 对 接 螺 栓 孔 间 出 现 裂 纹,8,连 接 铰 支 座,小拉杆和齿条铰支座耳孔板出现裂纹,9,臂 架,翼缘板和腹板及内部纵筋出现裂纹,10,象 鼻 梁,斜拉杆、竖杆及耳孔板出现裂纹,11,大 拉 杆,端 部 铰 支 叉 口 横 向 移 动,12,小 拉 杆,耳 孔 板 及 焊 缝 周 围 出 现 裂 纹,13,平 衡 梁,平衡梁及活对重的腹板出现裂纹，个别螺栓断裂,14,齿 条,横 向 裂 纹,15,转 台,裂 纹,16,支撑水平轮的框架,裂 纹,17,转 柱,裂 纹,表2.3门座起重机裂纹部位图上的位置号检 验 部 位可 能,45,第3章 机械承载结构中的断裂力学基本理论,3.1 概 述,结构设计思想和方法的发展过程，是不断吸收和应用自然科学中的新思想、新理论、新方法、新材料，结合结构自身特点而逐步发展和完善的过程，将断裂力学理论应用于结构设计即损伤容限结构抗断设计思想，使结构设计进入一个发展的新阶段。,第3章 机械承载结构中的断裂力学基本理论3.1 概 述,46,图3.1结构设计的发展和演化,经验地采用过去成功的设计,材料力学方法：具有较,大安全系数的弹性理论,承认有应力集中,应用断裂力学，用LEFM理论对给定载荷定量允许 的缺陷尺寸或给定缺陷尺寸确定安全载荷,以估算工作中裂纹扩展至临界,尺寸的速率为基础的损伤容限法,经验地采用过去成功的设计 材料力学方法：具有较,47,3.2裂纹的基本概念及分类,根据裂纹受力情况分类，裂纹可分为三种基本类型：,1张开型（I型）,裂纹受垂直于裂纹面的拉应力作用，,裂纹上下两表面相对张开，如图,3.2a)所示：,2滑开型（II型），又称平面内剪切型,裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘,OO的剪应力作用，裂纹上下两表面沿x轴,相对滑开，如图3.1b)所示；,3撕开型（III型），又称出平面剪切型或,反平面剪切型,裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘,图3.2 裂纹的三种类型,的剪应力作用，裂纹上下两表面沿z轴相对,错开，如图3.1c)所示。,3.2裂纹的基本概念及分类,48,除此以外，工程结构中存在的受复杂应力状态的裂纹复合型裂纹都可看作由上述三种基本裂纹复合而成。机械承载结构的金属结构一般是箱形截面梁,对于这类结构，裂纹的发生部位一般在其翼缘板上, 各部分结构上裂纹可大致分类如下:,对于受拉构件,其翼缘板上的裂纹大多为+型裂纹,而焊缝上的裂纹为型裂纹，对于受扭、弯结合的构件则为+型或+型。,除此以外，工程结构中存在的受复杂应力状态的裂纹,49,3.3线弹性断裂力学基本理论,3.3.1 裂纹尖端附近的应力场,物体发生脆性断裂时，若忽略物体的塑性变形，则视物体为理想弹性体，进而若材料服从虎克定律，则视其为理想线弹性体。于是问题归结为含裂纹物体的线弹性力学问题。,对于I型和II型裂纹问题，可归结为平面问题下含裂纹的线弹性体的线弹性力学分析，III型可当作空间反平面剪切问题进行分析。,3.3线弹性断裂力学基本理论 3.3.1 裂纹尖端附近的应力,50,分析图所示的平面裂纹体。,裂纹面为自由边界，远场有给定的,面内外力或面内位移。直角坐标系,及极坐标系原点都选在裂纹右尖端,O,处。只要把裂纹看作一部分边界，,就可用弹性力学的方法求得裂纹体,的应力场和位移场。,裂纹面上边界条件为：,分析图所示的平面裂纹体。,51,按,G.C.Sih,的分析方法，裂纹体在直角坐标下的应力场和位移场可取为下列三角级数：,式中，,D,、,C,为常数,按G.C.Sih的分析方法，裂纹体在直角坐标下的应力场和位移,52,这是裂纹体应力全场表达式。其中应力分量的第一项（,n,=1,）,r,的指数小于零，为-1/2，其余各项,r,的指数大于或等于零。在裂纹尖端附近（ ），第一项为主项，其余各项可忽略不计。,记,并称其为应力强度因子,这是裂纹体应力全场表达式。其中应力分量的第一项（n=1）r的,53,如果远场的边界条件使得,利用远场及裂纹面上的边界条件，可得裂尖附近区域局部场的解,如果远场的边界条件使得 利用远场及裂纹面上的边界条件，可得裂,54,应力场公式有如下特点：,应力与成反比。在裂纹尖端处（,r,0,）， ，应力为无限大,即在裂纹尖端应力出现奇点，应力场具有 的奇异性。不论外荷载情况为何小，裂纹尖端应力总是趋于无限大。显然，这与实际含裂纹体的仍具有一定承载能力的事实是不符的，无法用经典材料力学中的强度理论解释，其根本原因在于在求解含裂纹体应力分布时，将裂纹面理想化为一个平面，裂尖处曲率半径视为趋于“,0,”，另外，将材料视作理想的线弹性，实际上加载过程中裂尖的钝化是不可避免的。,应力场公式有如下特点：,55,由于裂尖应力应变场的奇异性，不能再用应力作为裂尖场强度的描述参量，为此引入应力强度因子的概念,:,应力强度因子是只与裂纹尺寸和载荷大小有关，与坐标（r，）无关的常数，一旦应力强度因子确定，裂尖附近区域应力应变和位移完全确定，它反映了裂尖附近应力、应变、位移场的强弱程度，因而成为描述裂尖区域场强度的重要概念，成为建立裂纹是否失稳扩展准则的重要参数。,由于裂尖应力应变场的奇异性，不能再用应力作为裂尖场强度的描述,56,3.3.2应力强度因子准则（K准则）,对于型裂纹，当,K1,达到临界值材料固有的抵抗脆性断裂的能力时，裂纹发生失稳扩展，即失稳扩展的临界条件是：,K1,=,KC,式中,K,C是材料阻碍裂纹扩展的阻力，是由材料抗断裂性能决定的材料常数，称为材料的断裂韧性，通常材料的断裂韧性随材料强度的提高而有所降低。,3.3.2应力强度因子准则（K准则） 对于型裂纹，当K,57,根据理论分析和实验表明，相同形状和尺寸的裂纹，在型加载情况下，型裂纹较危险，型裂纹失稳扩展临界条件为,K1,=,K1C,有时也表示成裂纹脆断条件：,K1 K1C,对于型裂纹问题和型裂纹问题有类似的判别式，即：K KC,和 K KC,进一步分析表明，KIIC和KIIIC不是独立的材料常数，而是与KIC有关的材料性能指标。,根据理论分析和实验表明，相同形状和尺寸的裂纹，在型加载情况,58,理论分析表明，含裂纹体的应力强度因子,K,一般都可表达为：,式中：为远离裂纹面上作用的应力，称为名义应力；,a,为裂纹尺寸；,Y,为与裂纹形状和构件形状及尺寸有关的形状系数。,结构故障诊断课件,59,3.4线弹性断裂力学的适用范围塑性区尺寸的限制,线弹性断裂力学是建立在理想线弹性力学理论基础上的，实际工程材料并非理想弹性体，在载荷作用下，裂纹尖端必然存在或大或小的塑性区。一般说来，线弹性断裂理论已不再适用，当塑性区尺寸远小于裂纹尺寸和构件整体尺寸，即小范围屈服情况下，经适当修正，仍可认为线弹性力学可近似适用。这就是Irwin所谓小塑性区修正理论。,3.4线弹性断裂力学的适用范围塑性区尺寸的限制,60,为了保证线弹性断裂力学的精确度和有效性，,r,值必须限制在如下范围之内：,R,y,ra/,10,在平面应变时，若取,则：,上述条件也可以改用应力水平来表示，可得,对于平面应力状态，经同样处理后可得,或,为了保证线弹性断裂力学的精确度和有效性，r值必须限制在如下范,61,上式说明在平面应力状态下，为了保证线弹性断裂力学的精度和有效性，其应力水平不能超过0.3。因此，我们通常把应力水平作为线弹性断裂力学的适用范围。不满足上述条件的裂纹问题只能采用弹塑性断裂力学来分析。,上式说明在平面应力状态下，为了保证线弹性断裂力学的精度和有效,62,第4章 基于复合建模有限元分析的裂纹诊断与控制,4.1,裂纹形成和扩展的一般性问题,影响裂纹扩展速率的因素有：,平均应力,过载的影响,加载频率的影响,温度的影响,第4章 基于复合建模有限元分析的裂纹诊断与控制4.1 裂纹形,63,4.2 机械承载结构裂纹诊断与控制的基本思想,4.2.1具有裂纹的机械承载结构的特点,机械承载结构投入使用后，随着时间的延续，在长期机械载荷、循环载荷、温度载荷、腐蚀环境条件下，材料会产生损伤，即材料的机械性能会产生劣化。具体表现在材料的强度下降，脆性增大。机械承载结构在使用较长的时间后（如10年），韧性较好的低碳钢或低碳合金钢，由于其机械性能的劣化，材料的脆性会越来越大，特别是机械承载结构上有裂纹存在的情况下，机械性能的劣化速率会更快。因此，对于使用期已经较长的机械承载结构的裂纹用线弹性断裂力学处理是可以的。,对于低速、重载、循环工作的机械承载结构（如起重机结构），它的失效过程可以看成是循环载荷作用下的疲劳失效。因此，应把疲劳裂纹扩展视为裂纹扩展的主要因素加以考虑。,4.2 机械承载结构裂纹诊断与控制的基本思想4.2.1具有裂,64,4.2.2 裂纹诊断与监控总体思路,寻找适合现场需要的裂纹诊断与控制的基本思想是：既有科学的依据，又要简单易行。为了分析的简单易行和便于实际运用，从偏于安全考虑，以下我们把承载结构的裂纹均简化成型裂纹。这种对机械承载结构裂纹的诊断与控制的方法虽然比较粗糙，但是简单易行，能够满足现场的需要，也受到现场的欢迎。随着对此类结构裂纹研究的不断深入，这种方法必将不断得到完善。,4.2.2 裂纹诊断与监控总体思路,65,4.3 机械承载结构裂纹的诊断与控制,4.3.1裂纹敏感区的确定,若机械承载结构的材质均匀，裂纹的萌生主要决定于材料内部第一主拉应力，此外主拉应力较高的焊接处（区），亦可在焊接缺陷处萌生裂纹，并在载荷的反复作用下导致裂纹缓慢亚临界起始扩展。基于以上考虑，可以对承载结构分别在几种不同恶劣载荷工况下，对其应力分布进行有限元分析，得到应力分布云图，包括Von Mises等价应力云图和第一主应力云图。由云图上的高区域确定裂纹易萌生并可能导致缓慢亚临界扩展的区域，称这种区域为裂纹敏感区。并在结构总图上标出裂纹敏感区。,巡检时，可在计算机上调出有关部位，巡查裂纹敏感区的高区域及周边焊缝是否存在裂纹。这样，不需对结构进行大面积检查，仅对所标明的裂纹敏感区域进行重点检查即可。,4.3 机械承载结构裂纹的诊断与控制4.3.1裂纹敏感区的确,66,4.3.2临界裂纹长度的确定,裂纹扩展的临界长度,ac,系指一旦裂纹扩展到,ac,时，构件已丧失承载能力，因为这时一旦起重机起吊额定荷载，裂纹即有可能失稳快速扩展，导致结构破坏。对于用Q235钢制作的结构，,ac,的大小视其裂纹所在处的第一主应力大小而定，其计算公式为：,式中：Y为形状参数，一般取Y=1.12,的单位取MPa，所得,ac,的单位为mm。,欲知裂纹所在处的临界裂纹长度,ac,的值，只需在主应力云图上查出该,处的大小，代入上式即可得,ac,。,对于焊缝及其热影响区，,KIC,小于母材Q235，其断裂韧性值可以表示为：,其临界裂纹长度为：,式中为焊缝处第一主应力。,4.3.2临界裂纹长度的确定,67,4.3.3巡检周期的计算,（1）寿命预估：,应用Paris公式预估裂纹构件的寿命,Nf,，,Nf,为允许构件循环的极限次数（或称极限寿命）。有：,一般地，在一个工作循环中，机械承载结构的载荷循环依次为：空载加载卸载（空载）。因此，在一次应力循环中，取：,则有,设,N,*为承载结构平均每天工作循环次数，则带有裂纹构件理论剩余寿命的极限天数为：,对于Q235钢，将,m,=4.128；,C,=6.29*10-14代入上式，有：,4.3.3巡检周期的计算,68,2）巡检周期,由于机械承载结构实际载荷的复杂性及Q235钢实测数据与实际工程构件材质可能存在的差异，另外，实际结构已经历了使用期，材质损伤、性能劣化；且处于露天，难于确定变化的腐蚀环境，同时考虑到疲劳问题的分散性等因素，由计算得到的极限寿命，与实际工程构件使用的极限使用寿命会有差别，从工程安全性考虑，尚需对裂纹结构定期巡检，巡检的时间间隔目前只能由经验及工程可能条件给定 。,2）巡检周期,69,4.4裂纹诊断与控制的实例,图4.1 M1633门座起重机门架应力云图,图4.1是起重机门架结构的有限元分析结果。该分析结果的模型情况如下：,整个门架采用整体建模，单元类型为板壳单元，节点数为3642，单元数为4175。,所分析的工况为：起重机处于最大工作幅度，起重量16吨，货物外摆，侧摆 。,4.4裂纹诊断与控制的实例图4.1是起重机门架结构的有限元分,70,从图4.1的应力云图可以看到，红色区域应力较大，将这些区域确定为裂纹敏感区，并标于应力云图上。这些裂纹敏感区与起重机门架结构上已有的细小裂纹区域基本吻合。将此应力云图打印输出或将云图的软拷贝交给港方起重机管理人员，他们可以按云图重点对裂纹敏感区加强巡查，从而缩小了巡查区域，节省了人力和物力。,若在某区域发现裂纹，测量出该裂纹的长度，在应力云图上查出该区域的第一主应力值，即可计算出临界裂纹长度。假设发现裂纹区域的第一主应力为105MPa, 则该区域的临界裂纹长度为：843mm。,若该起重机每天工作的循环次数为100次，裂纹初始检测长度为80mm，按计算式，对裂纹不进行修理时，该结构的极限工作天数为539天，下次巡检周期为53天。,若53天后，发现裂纹已扩展至108mm，则该结构极限工作天数为378天，下次巡检周期为37天。以此类推，当巡检的周期非常小时，如10天左右，无论该起重机工作多么繁忙，必须停机修理裂纹。,从图4.1的应力云图可以看到，红色区域应力较大，将这些区域确,71,第5章 裂纹维修方法实验与理论研究,5.1概述,机械承载结构作为大型机械设备的重要组成部分，已经在现代工业企业中得到了广泛的应用。随着社会生产的迅速发展，生产设备不仅数量增多，而且日益现代化，机械承载结构在生产中所起的作用越来越显著。实践表明 ，企业生产设备中机械承载结构的技术状态对企业的劳动生产率、生产成本、安全和环保等，在一定意义上说起了决定性作用，这是科学技术和社会经济互相渗透、紧密结合、互相促进的一种必然趋势。,对结构裂纹的有效维修，恢复结构原有的功能，实质上就是消除裂纹尖端应力场的奇异性，消除应力集中。在机械承载结构的使用部门，对裂纹的维修是一项技术性强的工作，由具有一定知识、经验和技能的人员承担，这对保证机械承载结构的安全高效运行起到了很重要的作用。,第5章 裂纹维修方法实验与理论研究5.1概述,72,5.2裂纹失稳止裂与稳态维修,5.2.1裂纹的稳态维修,由疲劳引起的金属裂纹扩展大致可以分为亚临界扩展和失稳扩展两个阶段。亚临界扩展阶段裂纹扩展速率低，失稳扩展阶段裂纹扩展速率很高。裂纹在亚临界扩展阶段如果不加修复，一旦应力强度因子K接近K1c，裂纹就会进入失稳扩展期,接近这一阶段时需要对裂纹进行止裂，否则，结构就可能迅速失稳扩展而导致断裂。,由此可见，防止具有裂纹结构的断裂有两道防线，其一是在裂纹亚临界（稳态）扩展阶段，对裂纹进行及时的维修（稳态维修），这样既可以防患于未然，又可以恢复结构原有的功能，并且由于此阶段裂纹扩展速率慢，对裂纹有足够的处理时间；其二是在对裂纹亚临界扩展阶段失察（未发现裂纹、对裂纹处理不当等）的情况下，进入裂纹失稳扩展阶段，这个阶段必须采取必要的措施进行补救（失稳止裂）。失稳止裂由于难度很大，一般用于裂纹不易发现而极其重要的机械设备上，如压力容器、地下管道、核电站、飞机等。在这些重要设备的结构上，一般采用止裂设计，使用止裂结构，以降低裂纹扩展力G或提高止裂韧性值。,5.2裂纹失稳止裂与稳态维修,73,5.3裂纹维修实验,5.3.1实验目的,裂纹维修实验的目的是将工程实际中的几种维修方法进行比较，定性地给出裂纹维修方法的优劣，供裂纹维修时参考。由于实验经费及时间的限制，实验研究的内容和深度有待进一步扩充与完善。,5.3裂纹维修实验5.3.1实验目的,74,5.3.2试件的准备,试件为Q235薄板制作的用Q235薄板焊接制作5个小箱形梁,尺寸为 550mm*100mm*150mm,板厚为3mm。焊接前,在它们的一个翼缘板上分别作,如下处理,:,试件1: 预制一条60mm的斜,裂纹,然后对该裂纹进行直,接焊接修复(如图5.6);,图5.6.试件1,5.3.2试件的准备试件为Q235薄板制作的用Q235薄板焊,75,试件2: 预制一条25mm的直裂纹和一条43mm的斜裂纹,两条裂纹不作任何修复(如图5.7);,图5.7.试件2,试件2: 预制一条25mm的直裂纹和一条43mm的斜裂纹,两,76,试件3: 预制一条30mm的直裂纹,然后在该裂纹的两端制作两条与该裂纹垂直的裂纹,将第一条裂纹焊接修复(如图5.8)，即检验本文所提出维修方法的试件。,图5.8.试件3,试件3: 预制一条30mm的直裂纹,然后在该裂纹的两端制作两,77,试件4: 预制一条60mm的裂纹,在此裂纹上焊接一块板进行修复(如图5.9);,图5.9.试件4,试件5: 预制一条30mm的裂纹,然后将有裂纹的区域挖掉,再重新塞一块板进行焊接修复(如图5.10)。,图5.10.试件5,试件4: 预制一条60mm的裂纹,在此裂纹上焊接一块板进行修,78,5.3.3实验方法及结果,对试件1试件5进行三点弯曲加载,使各试件的预制裂纹端承受拉应力。所加载荷为正弦脉动载荷，载荷有四个等级:-3kN-55kN；-4kN-66kN；-4kN-100 kN；-4 kN-110 kN，加载跨距为500mm。,加载频率为:15、25、30Hz。观察各试件,裂纹维修处重新出现裂纹时，立即停机，记录各试件出现裂纹的应力循环次数。比较它们出现裂纹时的归一化应力循环次数,循环次数多者,修复效果好;反之,则修复效果差。,实验结果如下：,试件1：-3kN-55kN (30Hz),500058次;-4kN-110kN (25Hz),309461次,试件被压溃；,试件2：-3kN-55kN (30Hz)，139765次；,试件3：-3kN-55kN (30Hz)，555616次；-4kN-100kN（15Hz），50000次；-4kN-110kN （25Hz), 246743次；,试件4：-4kN-66kN (30Hz)，400118次；-4kN-110kN (25Hz)，212440次；,试件5：-4kN-66kN (30Hz)，404562次；-4kN-110kN (25Hz)，371248次，未发现裂纹；,实验过程中,试件1被压溃,不能参与比较。,5.3.3实验方法及结果 对试件1试件5进行三点弯曲加载,79,5.4实验数据的处理,在实验过程中，针对各试件的具体情况，实验时载荷都是由小到大进行加载，所以，各试件所加的载荷并不一致，在相同载荷下的循环次数也不一致，直接将各试件在出现裂纹时各级载荷所对应的循环次数进行累加，把累加的循环次数之和进行比较从而判定各维修方法的好坏是不恰当的，应该对实验的数据进行适当的处理，使各试件的循环次数归一化。,5.4实验数据的处理在实验过程中，针对各试件的具体情况，实验,80,表5.1试验结果的归一化处理,试件号,1,2,3,4,5,P1（kN）,55,55,55,66,66,N1（次）,500058,139765,555616,400118,404562,P2（kN）,110,100,110,110,N2（次）,309461,50000,212440,371248,P3（kN）,110,N3（次）,246743,1.88e9,4.23e8,5.17e9,4.31e9,6.25e9,131046,29360,358773,299544,434331,表5.1试验结果的归一化处理试件号12345P1（kN）55,81,从表5.1中可以看到，经过归一化处理后，各试件的循环次数按从大到小的秩序排列依次为：试件5，试件3，试件4，试件2。,若将各试件的归一化循环次数除以试件5的归一化循环次数，可以得到各试件的相对寿命为：试件5为1；试件3为0.82； 试件4为0.69；试件2为0.068。虽然试件1被压溃，不参与比较，但到压溃时的相对寿命为0.30，仍比试件2高，可见，裂纹不经过维修处理，继续工作是极其危险的。本文所提出的裂纹维修方法是较好的，实际实施的工艺也是可行的。,从表5.1中可以看到，经过归一化处理后，各试件的循环次数按从,82,第6章 起重机金属结构裂纹诊断、维修及控制集成化系统,6.1概 述,起重机是使用比较广泛的一种机械。铁路部门的各货站都采用这种机械以实现对货物的搬运。郑州铁路局有货站447个，拥有各类起重机1200台，其中，主要是起重机，承担着全局路工装卸作业量的90%以上。由于使用年限较长，不少起重机的金属结构出现了比较严重的缺陷，如裂纹、变形、锈蚀等。为了对铁路货场第一线工作的起重机金属结构裂纹进行监控，加强对这些起重机金属结构的现场管理，保证设备完好性和降低故障率，指导技术人员对设备进行维修，提高劳动生产率，防止发生严重的安全事故，开发起重机金属结构裂纹诊断、维修及控制系统是非常必要的，它能获得较好的经济和社会效益。该系统是武汉理工大学物流技术与装备研究所与使用部门开展裂纹研究工作的合作项目之一。,第6章 起重机金属结构裂纹诊断、维修及控制集成化系统 6.,83,该系统有如下的功能：,有效地管理上述四种起重机在典型使用的最不利工况下结构应力分布云图图库；,在给出波浪度缺陷的箱型梁结构板的宽度、厚度及波浪度后自动计算该结构的实际有效宽厚比，得到结构在出现波浪度时的有效承载能力；,在知道结构出现裂纹部位的应力后（通过计算或者通过现场实测或直接从应力云图库中查询），计算出现裂纹部位的临界裂纹长度，根据临界裂纹长度和起重机在典型工况下每天的使用次数，计算出起重机结构的最大安全使用天数和巡检周期；,根据结构裂纹的情况，对现场的维修人员提供在线维修咨询建议；,能够根据用户的愿意建立用户的使用日志，用户只要使用了本系统，其使用过程所输入的数据及系统运算得到的重要数据，系统都将以日志的形式记录存储，便于用户保存资料和事后查询；,打印输出结构的应力云图、计算结果、维修建议及用户使用日志。,该系统有如下的功能：,84,6.2系统设计及文件的目录组织结构,6.2.1系统设计,整个系统采用Visual C+ 6.0开发，系统基于微软公司的标准类库(Microsoft Foundation Class, MFC)，设计完全采用面向对象技术，,在具有良好用户界面的同时保持了系统运行的健壮性。,整个系统分成以下五个独立模块，形成,一个标准的多文档界面(MDI)的Windows,应用程序，五个独立模块是：,应力云图管理、波浪度缺陷,结构承载能力计算、临界裂,纹长度计算以及巡检周期计,算、维修建议。系统模块结,构如图6.1所示,。,图6.1系统组成模块,Windows主控模块,巡检周期,计算,临界裂纹长,度计算,波浪度几何缺陷结构承载能力计算,应力计算云,图管理,应力计算云图,6.2系统设计及文件的目录组织结构6.2.1系统设计Wind,85,6.2.2 系统文件的目录组织结构,对于每台被分析的起重机均建立分析诊断记录文件。记录文件包括两个，扩展名分别为“.rgf”和“.log”，其中rgf文件为主文件，它记录了被分析的起重机的有关数据，分析部位等等。而log文件是日志文件，它记录了用户使用本系统对某个起重机进行维护分析的所有活动，并且是按照时间顺序不断追加的流水帐。,本系统的主执行文件RailRantry.exe包括帮助文件RailGantry.HLP可以根据用户的需要安装在任意目录中，起重机结构分析应力分布云图图库在主执行文件所在目录的下级子目录中，并按照L型、U型、C型及A型起重机分别设子目录，各子目录再按主梁、支腿、下横梁及四种工况分别给出Von Mises合成应力和第一主应力云图。,至于起重机的分析诊断记录文件则存放在主执行文件所在目录中。本系统的文件组织结构如图6.3所示。,6.2.2 系统文件的目录组织结构对于每台被分析的起重机均建,86,图6.2 系统组织结构图,87,6.3系统模块与功能,系统的模块及功能是结合起重机工作的特点确定的。它包括五个相互独立的模块，另外，还有一个建立用户日志的辅助功能。下面对各模块及其功能作简单的描述。,（1）管理应力云图库,针对铁路和港口部门常用的几种类型的起重机，在ANASYS软件平台下，对其进行分别整体建模、分析计算。该模块按照机型、结构部位、工况、应力类型等对应力云图进行了分类(参见图6.3)。用户根据使用情况可以方便、迅速地查找到所需要的应力云图，还可以自由地浏览图库，将应力云图放大，也可以打印输出。图库的管理见图6.4。,（2）波浪度缺陷结构承载能力计算,机械承载结构的波浪度缺陷对结构承载能力的影响不是本文的研究内容，但作为集成系统的功能之一，其原理只作简单介绍。,当结构的受压部位的板件出现较大的波浪变形，即翘曲、凹陷等，波浪变形的存在使箱形结构各板的应力分布不均匀，这种不均匀会降低板的承载能力，从而导致整个结构的承载能力降低。因为当外载还未达到设计载荷时，板边缘的应力已经达到甚至超过屈服极限，使板件失去承载能力。,6.3系统模块与功能系统的模块及功能是结合起重机工作的特点确,88,图6.3 应力计算云图管理,结构故障诊断课件,89,按力学界的习惯，将b/t转化成 ，就得到结构在有波浪变形情况下的承载能力曲线。即箱形结构在有波浪变形情况下的有效面积公式，设x代表 ，y代表 ,则有效面积公式为：,0/b=0.002时： y=-0.0016780x3+0.03789x2- 0.3105x+1.1836,0/b=0.004时： y=-0.0011390x3+0.02792x2-0.2504x+1.0569,0/b=0.006时： y=-0.0007521x3+0.02111x2-0.2086x+0.9546,0/b=0.008时： y=-0.0009731x3+0.02347x2-0.2086x+0.9083,0/b=0.010时： y=-0.0004075x3+0.01531x2-0.1712x+0.8340,0/b=0.015时： y=-0.0008559x3+0.02143x2-0.1888x+0.8012,0/b=0.020时： y=-0.0009843x3+0.02290x2-0.1882x+0.7536,按力学界的习惯，将b/t转化成 ，就得到结构在有波,90,为了进一步获得箱形结构的有效宽厚比，需要对上面曲线的纵坐标进行转化。因为,Ae/A=be/b,，,be,为板的有效宽度，对该纵坐标乘以 ，就使它成为 ，其曲线图如图6.4所示。这样图6.4即为箱形结构的有效宽厚比曲线。设x代表 ，y代表 ，则有效宽厚比公式为 ：,0/b=0.002时; y=-0.0016780x4+0.03789x3-0.3105x2+1.1836x,0/b=0.004时; y=-0.0011390x4+0.02792x3-0.2504x2+1.0569x,0/b=0.006时; y=-0.0007521x4+0.02111x3-0.2086x2+0.9546x,0/b=0.008时; y=-0.0009731x4+0.02347x3-0.2086x2+0.9083x,0/b=0.010时; y=-0.0004075x4+0.01531x3-0.1712x2+0.8340x,0/b=0.015时; y=-0.0008559x4+0.02143x3-0.1888x2+0.8012x,0/b=0.020时; y=-0.0009843x4+0.02290x3-0.1882x2+0.7536x,当0/b0.02时，按0.02计算；当0.0020/b0.02而又不等于上述7个数值时，用插值求得各相应的有效面积或宽厚比。这样，通过数值计算与分析，箱形结构在任一波浪变形下的承载能力就可以全部量化确定了。为了用户的实际应用，本系统实现了缺陷结构实际承载能力的计算工作。,为了进一步获得箱形结构的有效宽厚比，需要对上面曲线的纵坐标进,91,图6.4 结构的有效宽厚比曲线,结构故障诊断课件,92,(3)临界裂纹长度的计算,结构母材和焊接热影响区临界裂纹长度分别按计算式计算,计算中只需要输入裂纹部位的第一主应力,即可以计算出母材区或焊缝区的临界裂纹长度。系统同样会随时监视用户的输入，一旦用户改变了第一主应力值，系统将自动提醒用户重新计算。而且系统同样监控用户的输入，防止输入错误的数据。,（4）巡检周期计算,计算中只要用户输入裂纹部位当前的实际检测长度、起重机每天工作起吊次数，就可以计算出该裂纹条件下构件的最大安全工作天数和对该裂纹的巡检周期。如果需要，还可以输入该起重机的工作场所及设备编号等，以便用户在今后确认被分析的对象。由于计算中需要应用计算得到的临界裂纹长度以及裂纹部位第一主应力值，因此程序会提醒用户先计算临界裂纹长度再计算巡检周期。,（,5）维修建议,维修建议是用户出现结构故障的起重机进行修复进行建议的文献。为了方便用户在现场咨询维修方法，本系统已经将维修建议制作成超文本文件，可以用Microsoft公司的Internet Explorer网页浏览器查询。按照网页的形式组织文献，可以方便用户查询维修指南的任意位置，可以根据需要任意跳转到所需要的部分，具有较强的灵活性。,（6）建立日志,日志是用户记录当前起重机金属结构的状态供以后查询。根据用户的愿意进行流水帐式地追加记录。,结构故障诊断课件,93,日志范例：,=* 欢迎使用本系统! *=,本次分析时间：2000年05月15日，22:18:27,起重机类型：L型单梁起重机,起重机母材：Q235,起重机工作场站地址：郑局武昌北站,起重机设备编号：L8401,结构部位：主梁,工况：第二工况,应力类型：第一主应力,视图特征：剖视图,受压板件宽度： 120.00mm,受压板件厚度： 10.00mm,板件波浪度峰值： 1.50mm,板件宽厚比：12.0,缺陷峰值比：0.013,有效承载面积是理论承载面积的：71.91%,裂纹部位第一主应力值：122.00Mpa,临界裂纹长度： 624.56mm,焊缝及热影响区长度： 137.76mm,现存裂纹长度： 98.00mm,起重机每天起吊次数：123.00次,裂纹处安全使用最大天数：178天,裂纹处的巡检周期：17天,今天工作场地环境温度： 24.0度,日志范例：=* 欢迎使用,94,第7章 基于模糊理论的机械结构劣化指数及安全性评价与预测,应用实例：,7.1研究对象的基本情况,天津港六公司的16t/33m门座式起重机为吊钩、抓斗两用，以抓斗装卸煤炭为主要作业方式。使用中转台筒体出现严重裂纹，给港口安全生产带来较大隐患。为了了解该机目前结构的技术状态，对该机结构的修复提出科学和切合实际的方案，就必须研究和分析它在工作工程中的安全性，并对此作出评价。,第7章 基于模糊理论的机械结构劣化指数及安全性评价与预测,95,第7章 安全性评价,1、评价的定义：通过对研究对象的某一方面或者多个方面进行定性和（或）定量指标的分析所得到的结论。,2、评价的步骤：,（1）、选择反映对象状态的指标；,（2）、对所选择的指标给出定性或者定量值；,（3）、对指标值进行适合的数学分析；,（4）、根据数学分析的结果，判断对象所处的状态；,第7章 安全性评价1、评价的定义：通过对研究对象的某一方面,96,3、指标的选取：,3.1 指标的选取非常重要，直接关系到评价的准确性。,指标的选取主要按照研究对象所必须遵守或遵循的规则。,3.2 对指标中的各值赋予一定的权重，在此基础上进行数学分析。,3.3 所选择的数学分析方法差别比较大。,3、指标的选取：3.1 指标的选取非常重要，直接关系到评价的,97,7.2转台筒体结构的建模,该模型的基本情况如下：,3 种单元类型（SHELL63、BEAM4、SOLID45）,11种实,常数（real constant）,1 种材料类型。,实体模型：,关键点数：373,实体线数：815,实体面数：436,实体体数：24,有限元模型：,节点数：4254,单元数：4375,7.2转台筒体结构的建模,98,7.3计算工况,计算工况说明为,工况序号,幅度,小车位置外摆角度（度）,侧摆角度（度）,载荷状态,动载系数,1,最大幅度33米,6,5,满载,1.35,2,中间幅度30米,6,5,满载,1.35,3,中间幅度25米,6,5,满载,1.35,4,最小幅度9.5米,6,5,满载,1.35,7.3计算工况 工况序号幅度小车位置外摆角度（度）侧摆角度（,99,7.7.4 结构安全性的综合评价与预测,表4整机结构的劣化状态及其相应参数,序号,指标类型,指标的具体内容,指标所属层,状态指数m,i,权重k,I,m,i,k,i,累计,m,i,k,i,K,i,1,描,述,类,开裂情况,3,0.800,1.5,1.200,1.2,0.114,2,结构变形情况,3,0.500,0.3,0.150,1.350,0.014,3,锈蚀情况,4,0.500,0.6,0.300,1.650,0.028,4,整机振颤情况,4,0.300,0.3,0.090,1.740,0.009,5,焊缝探伤情况,2,0.600,0.6,0.360,2.100,0.034,6,材料缺陷情况,2,0.600,0.6,0.360,2.460,0.034,7,结构抗断能力情况,3,0.800,1.5,1.200,3.660,0.114,8,中修情况,2,0.800,0.9,0.720,4.380,0.068,9,中修后的使用情况,2,0.700,0.8,0.560,4.940,0.053,10,小修情况,2,0.700,0.7,0.490,5.430,0.046,11,数,值,类,结构静强度计算情况,1,1.000,1.6,1.600,7.030,0.152,12,结构动应力的计算情况,4,0.375,0.8,