分享：有限元分析在起重机箱梁裂纹修复中的应用
在工厂所使用的桥式起重机中主要的金属结构 就是桥架，桥架由主梁、端梁、栏杆、走台板等组 成。主梁为承载吊物的最主要的受力结构，一般为 箱型梁。主梁是典型的焊接结构[1]。由于冶金行业 连续化生产节奏的日益加快，起重机工作繁忙，在 使用一段时间后容易在应力集中的部位发生危险裂 纹。通常的维修方案仅是对裂纹部位进行处理，例 如打止裂孔、对裂纹打磨补焊等。这些仅凭经验的 修复方案，效果并不理想，在唐钢二钢轧厂、唐钢 物流公司等单位都出现过修复后的箱型主梁再次开 裂现象。这不单会影响生产，也对生产安全构成极 大的威胁。如何避免安全问题发生是技术人员首要 解决的一大难题。
现状
唐钢一钢轧厂成品库现有3部QD32/5T-28.5M 通用桥式起重机，于2004年投入使用，工作级别为 A6，负责成品钢卷的入库及发货，日常生产繁忙。 点检人员在一次对设备的周期检查中发现，其中一 台在箱型主梁南端靠近端梁腹板的弯角部位发现了 宏观可见的裂纹，位置如图1所示，维修人员利用生 产间隙对裂纹两端打止裂孔处理，但仅维持了几周 后，裂纹继续发生扩展。
有限元分析
由于桥架主梁为对称结构，为了减少计算量，提高计算效率，依照图纸实际尺寸对此起重机一侧 箱型主梁应用SolidWorks软件进行三维建模，同时 去除栏杆、扶梯、走台板、线槽等对计算结果影响 极小的部件来简化模型，提高计算的精准性。因模 型的相互转换格式难免会产生一定的误差，首选 图2 桥架主梁有限元模型 SolidWorks中集成的分析工具SolidWorks Simulation 有限元软件对此主梁进行分析及处理。因主梁钢结 构主要由多种不同规格的钢板整体焊接而成，所以 将桥架整体接触类型设置为全局结合，对于厚长比 大于1/30的钢板或长构件选择对应的壳单元或梁单 元，其他结构件选择实体单元，由于主梁金属结构 较为复杂，同时含有壳、梁及实体单元，所以主梁 整体采用混合网格划分。在进行网格划分的时候， 对应力集中部位(如弯角、拐角等过渡区域)做特别处 理，细化网格；因为模型的整体尺寸较大，划分的 网格则较多，所以对应力变化不大且对计算结果影 响较小的区域网格可以粗大些以减少模型整体的计算 量。本模型设置为混合网格划分，基于曲率的网格， 雅克比点为4，最大单元735 mm，最小单元147 mm， 网格品质为高，划分完毕节点数为70031个，网格单 元总数为34518个，如图2所示。
起重机在不同的工况下，主梁受力是不同的。 通过对比不同的工况可知，当小车处于起重机最南 端满载运行时工况最为恶劣。选此工况进行有限元 模拟分析，计算结果如图3所示。由应力云图可知 箱型主梁腹板弯角处所受应力最大，尤其是腹板与 下弯板接合的区域应力最为集中，也是本文所述的 裂纹产生部位。依据有限元模拟求得此区域应力最 大值为197.48 MPa，此起重机箱型主梁钢板材质为 Q235B，理论屈服强度为235 MPa，虽未超过钢板理 论屈服极限，但也相对较为接近。经过查询相关文 献资料可知，通常Q235B钢板设计上的许用应力为 168 MPa[2]。可见，在最为恶劣的工况下，实际应力 值是大于设计安全应力值的。而当材料长期处于大 应力状态时，会造成材料长期变形而不能恢复，极 易引起金属材料的疲劳损坏。应力集中提高了金属材料的变形抗力，降低了塑性，极易成为金属材料 发生破坏的起点。因此损坏部位通常发生在应力较 大且集中的区域，本文所描述的起重机主梁腹板裂 纹就具有这一特点。因此如何降低应力水平，消除应力集中，将是修复方案需要主要解决的问题。
裂纹修复处理
当裂纹发生后，在维修人员的实际工作中，通 常采用钻孔止裂法、裂纹焊合法、钢板补强法、人工 楔块法等一种或几种的组合来对裂纹进行修复[3]。结 合此台起重机箱梁的裂纹情况，为达到消除应力集 中及减小应力水平的目的，经过比较，选择钢板补 强法，即在开裂板材的应力集中部位内外对称焊接 补强钢板，这样就使部分载荷产生的应力通过补强 板进行传递，大幅的减轻了原始钢板的应力水平， 减小裂纹扩展的驱动力，从而使裂纹不再扩展，达 到止裂的目的。
先对裂纹处打磨补焊。根据开裂部位尺寸及应 力集中区域面积制作补强钢板。应力集中区域面积 可依据图3应力云图红色部位计算求得。补强板板厚 取8 mm(不能超过母板厚度)，四周打45°坡口围焊， 离外边间距250 mm内部间距150 mm均匀布孔塞焊， 孔直径取30 mm左右。在主梁腹板内外对称设置，焊 时采用对称焊，以分散应力，减小裂纹倾向。修复 完成后外侧焊接补强钢板形式如图4所示(内侧补强 钢板对称设置)。
修复后的�：�
由于修复后主梁结构已经发生了变化，需要对 修复后的箱型主梁重新建模，将补强板加入到原有的主梁模型中，修正有改动的部分模型，然后对新 模型再次进行有限元应力分析。应力分析依然选取 最恶劣的工况，通过对修正模型进行应力计算，得 到修复后箱型主梁腹板弯角应力云图(图5)。从对修 复主梁静强度应力分析计算结果可知，经过钢板补强 法修复后，箱型主梁腹板弯角处应力已经大幅降低， 应力集中区域也随之消失。在载荷、受力位置及约束 均保持不变的情况下，主梁腹板弯角处最大应力已从 197.48 MPa下降到54.9 MPa，已远小于许用应力。由 此说明修复方案对改善危险部位的应力状况效果显 著，从根本上消除了裂纹继续扩展的可能性。
结束语
通过对起重机箱型主梁受力状况进行有限元分 析，找出裂纹发生的根本原因，并根据成因预防治 理，有的放矢，制定修复方案并予以修复。然后对 修复方案进行论证，从�：说慕峁芍�，修复后主 梁裂纹区域的应力状况得到了大幅的改善，增加了 主梁的整体强度，使起重机裂纹延伸现象得到有效 控制。应用此法修复的起重机至今运行良好。
参考文献
[1] 殷之平．结构疲劳与断裂．西安：西北工业大学出版社，2012
[2] 程靳，赵树山．断裂力学．北京：科学出版社，2006
[3] 张质文，虞和谦，王金诺，等. 起重机设计手册. 北京：中国铁道 出版社，1998
文章来源——金属世界
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