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)。

修复后的校核 

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，从校核的结果可知，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