結(jié)構(gòu)故障診療

結(jié)構(gòu)故障診療結(jié)構(gòu)故障診療第1頁參考資料1、工程斷裂力學(xué)基礎(chǔ)

/

洪起超.

上海交通大學(xué)版,

1987.2、結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè):國(guó)際斷裂力學(xué)年會(huì)論文集(英文）華東理工大學(xué)出版社

3、結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定

陳國(guó)華科學(xué)出版社

4、monthlyJournalFatigue&FractureofEngineeringMaterials&Structures

(canbereadonline)結(jié)構(gòu)故障診療第2頁主要內(nèi)容裂紋與斷裂裂紋結(jié)構(gòu)承載裂紋監(jiān)控方法裂紋維修方法變形結(jié)構(gòu)承載安全性評(píng)價(jià)方法專題討論結(jié)構(gòu)故障診療第3頁第1章緒論1.1概述機(jī)械承載結(jié)構(gòu)是由型材（板材、角鋼、槽鋼等）、鑄件、和鍛件等金屬制件連接所制成并滿足一定使用要求工程結(jié)構(gòu)。因?yàn)闄C(jī)械承載結(jié)構(gòu)含有質(zhì)量穩(wěn)定、安全可靠、強(qiáng)度高、重量輕和制造工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)各部門取得了廣泛應(yīng)用。比如，交通運(yùn)輸業(yè)車輛、船舶、飛機(jī)，機(jī)械工業(yè)上重型機(jī)械、工程機(jī)械和搬運(yùn)機(jī)械等無不采取機(jī)械承載結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)故障診療第4頁結(jié)構(gòu)故障診療第5頁結(jié)構(gòu)故障診療第6頁

機(jī)械承載結(jié)構(gòu)在裝配使用過程中，因?yàn)殚L(zhǎng)久機(jī)械載荷、環(huán)境溫度和各類腐蝕條件影響，結(jié)構(gòu)件中經(jīng)常產(chǎn)生宏觀尺度裂紋。宏觀裂紋存在對(duì)機(jī)械承載結(jié)構(gòu)安全使用是一個(gè)嚴(yán)重威脅，它深入擴(kuò)展將會(huì)造成結(jié)構(gòu)斷裂，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。

結(jié)構(gòu)故障診療第7頁結(jié)構(gòu)故障診療第8頁1.2裂紋研究發(fā)展概況從理論和試驗(yàn)體系上研究金屬裂紋問題，始于1957年G.R.Irwin等人提出應(yīng)力強(qiáng)度因子概念，1963年P(guān)aris提出了著名公式da/dN=C(△k)m。與此同時(shí)，研究人員開始注意到短裂紋行為特殊性。繼Wells首先提出了COD法（即測(cè)量裂紋尖端張開度）來分析裂紋后，1968年Rice提出了J積分概念，到70年代，大家發(fā)覺，靜態(tài)地考查裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)不能完全解釋裂紋引發(fā)快速斷裂，從而又發(fā)展了斷裂動(dòng)力學(xué)。結(jié)構(gòu)故障診療第9頁1．3結(jié)構(gòu)裂紋研究現(xiàn)實(shí)狀況及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1微觀裂紋研究當(dāng)前對(duì)短裂紋研究方法主要有：（1）試驗(yàn)觀察（2）理想微裂紋系統(tǒng)模型（3）蒙特卡洛模擬（4）統(tǒng)計(jì)方法與隨機(jī)分布預(yù)測(cè)材料疲勞壽命結(jié)構(gòu)故障診療第10頁對(duì)短裂紋，其值得深入研究問題有：裂紋群體內(nèi)相互作用，裂紋萌生與發(fā)展；大量短裂紋集體行為與材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)在其中所起作用；利用已經(jīng)有知識(shí)建立模型，并對(duì)材料疲勞作出預(yù)測(cè)。結(jié)構(gòu)故障診療第11頁1.1.2宏觀裂紋研究對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)裂紋研究由來已久，長(zhǎng)裂紋研究仍是結(jié)構(gòu)裂紋研究重點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容包含以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)故障診療第12頁1）某一特定材料長(zhǎng)裂紋特征研究2）對(duì)已經(jīng)有線彈性斷裂理論及彈塑性斷裂理論進(jìn)行更深入完善研究3）對(duì)結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有長(zhǎng)裂紋識(shí)別4）求解實(shí)際長(zhǎng)裂紋特征參數(shù)分析方法研究5）宏觀裂紋修復(fù)方法研究6）動(dòng)態(tài)起裂與止裂控制研究7）對(duì)材料裂紋試驗(yàn)及試驗(yàn)方法研究

8）對(duì)工程結(jié)構(gòu)中裂紋問題研究結(jié)構(gòu)故障診療第13頁飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)故障診療第14頁結(jié)構(gòu)故障診療第15頁日本大阪地震結(jié)構(gòu)故障診療第16頁橋梁橡膠隔震裝置三軸試驗(yàn)結(jié)構(gòu)故障診療第17頁梁－柱－板結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)故障診療第18頁聲發(fā)射檢測(cè)原理聲發(fā)射是材料在應(yīng)力作用下發(fā)生微觀活動(dòng)而釋放出應(yīng)力波一個(gè)物理現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)就是利用材料聲發(fā)射原理對(duì)材料中動(dòng)態(tài)活動(dòng)缺點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)相對(duì)于其它無損檢測(cè)技術(shù)而言，含有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、整體、連續(xù)等特點(diǎn)。能夠得到相關(guān)缺點(diǎn)活動(dòng)強(qiáng)度、嚴(yán)重性、位置等信息。相關(guān)分析還可深入得到活動(dòng)缺點(diǎn)隨載荷、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞周次等改變信息。

結(jié)構(gòu)故障診療第19頁檢測(cè)設(shè)備

美國(guó)PAC企業(yè)全數(shù)字式40通道DiSP聲發(fā)射系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提取聲發(fā)射特征參數(shù)和波形存放能夠?qū)崿F(xiàn)軟件控制16頻段頻率濾波可實(shí)現(xiàn)全參數(shù)濾波、波形濾波、區(qū)域定位、線定位、平面定位、三維定位、球面定位、任意參數(shù)相關(guān)圖、圖形濾波、波形顯示、頻譜分析等功效。

結(jié)構(gòu)故障診療第20頁傳感器布置實(shí)例照片結(jié)構(gòu)故障診療第21頁裝船機(jī)裝船機(jī)是港口碼頭進(jìn)行煤炭和礦石自動(dòng)裝船大型桁架式吊臂梁機(jī)械，其吊臂梁能夠完成俯仰、伸縮等動(dòng)作，整個(gè)吊臂梁凈重約120噸

結(jié)構(gòu)故障診療第22頁試驗(yàn)結(jié)果分析

聲發(fā)射定位結(jié)果結(jié)構(gòu)故障診療第23頁第2章港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋調(diào)查與分析2.1概論裂紋是影響金屬結(jié)構(gòu)安全工作主要隱患之一。長(zhǎng)久以來，港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋問題一直是從事港口相關(guān)工作各方人員所關(guān)注，是影響港口裝卸作業(yè)效率基礎(chǔ)原因之一。為了搞清港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)際情況，了解裂紋在金屬結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)中分布情況及嚴(yán)重程度，更加好地為研究工程結(jié)構(gòu)裂紋詳細(xì)問題服務(wù)，咱們對(duì)上海港、天津港、廣州港、大連港、廈門港、營(yíng)口港、武漢港等全國(guó)主要海港及內(nèi)河港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋問題進(jìn)行了一次比較全方面調(diào)查，取得了大量第一手資料。結(jié)構(gòu)故障診療第24頁2.2調(diào)查情況為了能夠最直觀地反應(yīng)調(diào)查情況，本文將有代表性裂紋及裂紋修復(fù)（照片中橢圓形區(qū)域）照片列舉以下：結(jié)構(gòu)故障診療第25頁右圖為廣州黃浦港務(wù)企業(yè)一臺(tái)M5—30起重機(jī)，該機(jī)1979年1月投入使用，1995年2月，其臂架上翼緣板出現(xiàn)橫向裂紋結(jié)構(gòu)故障診療第26頁

此圖與上圖為同一臺(tái)門機(jī)，1990年11月，在其臂架下翼緣板出現(xiàn)裂紋，經(jīng)過在裂紋表面貼焊鋼板進(jìn)行修補(bǔ)，1994年，貼焊板上又出現(xiàn)裂紋，在裂紋前端鉆直徑為6至8毫米止裂孔，割除原來貼板，重新貼焊鋼板。結(jié)構(gòu)故障診療第27頁

圖2.3

圖2.3為廣州港洪圣沙裝卸作業(yè)站一臺(tái)GANZ5—30門座起重機(jī)，該機(jī)由匈牙利制造，1966年投入使用，1997年5月，在其機(jī)房下底板出現(xiàn)裂紋，此圖為修理后情況。結(jié)構(gòu)故障診療第28頁圖2.4為武漢港M10—25門座起重機(jī)，1982年投入使用，1994年，支腿與轉(zhuǎn)盤連接法蘭焊縫出現(xiàn)較長(zhǎng)裂紋。

圖2.4結(jié)構(gòu)故障診療第29頁

圖2.5圖2.5為廈門港東渡港務(wù)企業(yè)M10—30門座起重機(jī)，該機(jī)支腿與轉(zhuǎn)盤連接法蘭處箱角母材出現(xiàn)裂紋，圖為裂紋補(bǔ)焊后情況。結(jié)構(gòu)故障診療第30頁圖2.6為天津港M1633門機(jī)圓筒結(jié)構(gòu)母材出現(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)750毫米裂紋，該門機(jī)1994年投入運(yùn)行，1997年出現(xiàn)裂紋。圖為工程技術(shù)人員在測(cè)量已被補(bǔ)焊后裂紋，該裂紋采取直接補(bǔ)焊裂紋，并加強(qiáng)裂紋周圍板方法進(jìn)行修復(fù)。圖2.6結(jié)構(gòu)故障診療第31頁圖2.7圖2.7為大連港西部作業(yè)區(qū)一臺(tái)M1030型門機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)后方出現(xiàn)裂紋，裂紋長(zhǎng)度到達(dá)300毫米。結(jié)構(gòu)故障診療第32頁圖2.8為上海港軍工路M1030—02型門機(jī)上支撐環(huán)與支腿連接出內(nèi)側(cè)全部出現(xiàn)裂紋，圖為裂紋補(bǔ)焊后情形圖2.8結(jié)構(gòu)故障診療第33頁

圖2.9圖2.9為上海港新華企業(yè)M1030—02型門機(jī)臂架拎點(diǎn)（上翼緣板）附近出現(xiàn)裂紋，裂紋清楚可見。結(jié)構(gòu)故障診療第34頁圖2.10為上海港煤炭企業(yè)M1030—02型門機(jī)平衡梁處出現(xiàn)裂紋，圖為用厚板進(jìn)行塞焊修復(fù)裂紋后情形。圖2.10結(jié)構(gòu)故障診療第35頁

圖2.11為上海港南浦企業(yè)M1030門機(jī)臂架下翼緣板中間出現(xiàn)嚴(yán)重開裂，圖為修復(fù)時(shí)情景圖2.11結(jié)構(gòu)故障診療第36頁圖2.12為上海港新華企業(yè)M1030門機(jī)變幅齒條面板出現(xiàn)裂紋，其裂紋長(zhǎng)度為100毫米左右，圖為裂紋被補(bǔ)焊后情形。圖2.12

結(jié)構(gòu)故障診療第37頁圖2.13圖2.13為營(yíng)口港M1030門機(jī)臂架多處出現(xiàn)裂紋，圖為兩處較顯著且集中裂紋被修復(fù)后情況。

結(jié)構(gòu)故障診療第38頁圖2.14為上海港南浦企業(yè)M1030門機(jī)臂架下翼緣板出現(xiàn)形狀特殊裂紋。該門機(jī)1978年投入運(yùn)行，1997年出現(xiàn)此裂紋。圖2.14結(jié)構(gòu)故障診療第39頁2.3調(diào)查分析經(jīng)過對(duì)全國(guó)各主要港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障調(diào)查和歸納總結(jié)[106]，各港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障情況及綜合全部被調(diào)查港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障情況分別如表2.1和表2.2。結(jié)構(gòu)故障診療第40頁

表2.1門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障情況調(diào)查

注：上海港、天津港、大連港對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋比重雖未作詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，裂紋仍然是最主要故障。

港口名稱調(diào)查臺(tái)數(shù)金屬結(jié)構(gòu)主要故障裂紋所占比重廣州港68折斷、裂紋、變形、90%廈門港9折斷、裂紋、變形、腐蝕70.96%漢陽港14裂紋、變形、銹蝕73.5%上海港63折斷、裂紋、變形

天津港26裂紋、變形、銹蝕大連港69裂紋、變形、銹蝕結(jié)構(gòu)故障診療第41頁

表2.2門座起重機(jī)裂紋所在部位分布情況

裂紋部位所占比例機(jī)房與轉(zhuǎn)柱連接處24.11%法蘭盤與支腿連接處24.82%配重、平衡重、支撐鉸16.31%人字架1.4%小拉桿6.3%大拉桿4.96%象鼻梁3.5%臂架12.76%其它5.6%結(jié)構(gòu)故障診療第42頁由調(diào)查結(jié)果可知：港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行一段時(shí)期后（普通為10年左右），金屬結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)不一樣形式故障。常見故障形式有結(jié)構(gòu)變形、裂紋、銹蝕、斷裂等，其中裂紋是金屬結(jié)構(gòu)最主要故障，它是影響門座起重機(jī)安全運(yùn)行最大隱患，也是相關(guān)各方關(guān)注焦點(diǎn)。從裂紋發(fā)生部位來看，裂紋普通在主要承載構(gòu)件上，這些地方受力比較復(fù)雜。有些裂紋發(fā)生在焊縫上，然后向母材擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)故障診療第43頁2.4俄羅斯門機(jī)結(jié)構(gòu)故障情況

門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障（主要為裂紋）在俄羅斯表現(xiàn)得也很普遍，很嚴(yán)重，并公布了門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障檢驗(yàn)和裂紋修理標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)文件。圖2.15為俄羅斯某一類型門座起重機(jī)示意圖，其金屬結(jié)構(gòu)故障部位和故障情況如表2.3。

圖2.15俄羅斯某門座起重機(jī)故障感部位示意圖結(jié)構(gòu)故障診療第44頁

表2.3門座起重機(jī)裂紋部位圖上位置號(hào)檢驗(yàn)部位可能故障1門腿門腿和行車臺(tái)架連接變松或螺栓丟失2支撐環(huán)支撐齒圈立柱腹板和翼緣板出現(xiàn)裂紋3支撐環(huán)止推軸頸和門腿頂部螺栓變松4環(huán)形滾道軌道螺栓變松5臂架鉸支座裂紋6臂架兩端叉口板上、下耳孔板根部附近裂紋7對(duì)接組件組件對(duì)接螺栓孔間出現(xiàn)裂紋8連接鉸支座小拉桿和齒條鉸支座耳孔板出現(xiàn)裂紋9臂架翼緣板和腹板及內(nèi)部縱筋出現(xiàn)裂紋10象鼻梁斜拉桿、豎桿及耳孔板出現(xiàn)裂紋11大拉桿端部鉸支叉口橫向移動(dòng)12小拉桿耳孔板及焊縫周圍出現(xiàn)裂紋13平衡梁平衡梁及活對(duì)重腹板出現(xiàn)裂紋，個(gè)別螺栓斷裂14齒條橫向裂紋15轉(zhuǎn)臺(tái)裂紋16支撐水平輪框架裂紋17轉(zhuǎn)柱裂紋結(jié)構(gòu)故障診療第45頁第3章機(jī)械承載結(jié)構(gòu)中斷裂力學(xué)基礎(chǔ)理論3.1概述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和方法發(fā)展過程，是不停吸收和應(yīng)用自然科學(xué)中新思想、新理論、新方法、新材料，結(jié)合結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)而逐步發(fā)展和完善過程，將斷裂力學(xué)理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——即損傷容限結(jié)構(gòu)抗斷設(shè)計(jì)思想，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)發(fā)展新階段。結(jié)構(gòu)故障診療第46頁

圖3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展和演化經(jīng)驗(yàn)地采取過去成功設(shè)計(jì)

材料力學(xué)方法：含有較大安全系數(shù)彈性理論

認(rèn)可有應(yīng)力集中

應(yīng)用斷裂力學(xué)，用LEFM理論對(duì)給定載荷定量允許缺點(diǎn)尺寸或給定缺點(diǎn)尺寸確定安全載荷

以估算工作中裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸速率為基礎(chǔ)損傷容限法

結(jié)構(gòu)故障診療第47頁3.2裂紋基礎(chǔ)概念及分類

依據(jù)裂紋受力情況分類，裂紋可分為三種基礎(chǔ)類型：

1．張開型（I型）裂紋受垂直于裂紋面拉應(yīng)力作用，裂紋上下兩表面相對(duì)張開，如圖

3.2a)所表示：2．滑開型（II型），又稱平面內(nèi)剪切型裂紋受平行于裂紋面而垂直于裂紋前緣

OO’剪應(yīng)力作用，裂紋上下兩表面沿x軸相對(duì)滑開，如圖3.1b)所表示；3．撕開型（III型），又稱出平面剪切型或反平面剪切型裂紋受既平行于裂紋面又平行于裂紋前緣圖3.2裂紋三種類型剪應(yīng)力作用，裂紋上下兩表面沿z軸相對(duì)錯(cuò)開，如圖3.1c)所表示。

結(jié)構(gòu)故障診療第48頁

除此以外，工程結(jié)構(gòu)中存在受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)裂紋——復(fù)合型裂紋都可看作由上述三種基礎(chǔ)裂紋復(fù)合而成。機(jī)械承載結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)普通是箱形截面梁,對(duì)于這類結(jié)構(gòu)，裂紋發(fā)生部位普通在其翼緣板上,各個(gè)別結(jié)構(gòu)上裂紋可大致分類以下:

對(duì)于受拉構(gòu)件,其翼緣板上裂紋大多為Ⅰ+Ⅱ型裂紋,而焊縫上裂紋為Ⅱ型裂紋，對(duì)于受扭、彎結(jié)合構(gòu)件則為Ⅰ+Ⅲ型或Ⅱ+Ⅲ型。結(jié)構(gòu)故障診療第49頁3.3線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)理論3.3.1裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)

物體發(fā)生脆性斷裂時(shí)，若忽略物體塑性變形，則視物體為理想彈性體，進(jìn)而若材料服從虎克定律，則視其為理想線彈性體。于是問題歸結(jié)為含裂紋物體線彈性力學(xué)問題。對(duì)于I型和II型裂紋問題，可歸結(jié)為平面問題下含裂紋線彈性體線彈性力學(xué)分析，III型可看成空間反平面剪切問題進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)故障診療第50頁分析圖所表示平面裂紋體。裂紋面為自由邊界，遠(yuǎn)場(chǎng)有給定面內(nèi)外力或面內(nèi)位移。直角坐標(biāo)系

及極坐標(biāo)系原點(diǎn)都選在裂紋右尖端

O處。只要把裂紋看作一個(gè)別邊界，就可用彈性力學(xué)方法求得裂紋體

應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。裂紋面上邊界條件為：結(jié)構(gòu)故障診療第51頁按G.C.Sih分析方法，裂紋體在直角坐標(biāo)下應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)可取為以下三角級(jí)數(shù)：

式中，D、C為常數(shù)

結(jié)構(gòu)故障診療第52頁這是裂紋體應(yīng)力全場(chǎng)表示式。其中應(yīng)力分量第一項(xiàng)（n=1）r指數(shù)小于零，為-1/2，其余各項(xiàng)r指數(shù)大于或等于零。在裂紋尖端附近（），第一項(xiàng)為主項(xiàng)，其余各項(xiàng)可忽略不計(jì)。記

并稱其為應(yīng)力強(qiáng)度因子

結(jié)構(gòu)故障診療第53頁假如遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件使得

利用遠(yuǎn)場(chǎng)及裂紋面上邊界條件，可得裂尖附近區(qū)域局部場(chǎng)解結(jié)構(gòu)故障診療第54頁應(yīng)力場(chǎng)公式有以下特點(diǎn)：應(yīng)力與成反比。在裂紋尖端處（r→0），，應(yīng)力為無限大即在裂紋尖端應(yīng)力出現(xiàn)奇點(diǎn)，應(yīng)力場(chǎng)含有奇異性。不論外荷載情況為何小，裂紋尖端應(yīng)力總是趨于無限大。顯然，這與實(shí)際含裂紋體仍含有一定承載能力事實(shí)是不符，無法用經(jīng)典材料力學(xué)中強(qiáng)度理論解釋，其根本原因在于在求解含裂紋體應(yīng)力分布時(shí)，將裂紋面理想化為一個(gè)平面，裂尖處曲率半徑視為趨于“0”，另外，將材料視作理想線彈性，實(shí)際上加載過程中裂尖鈍化是不可防止。結(jié)構(gòu)故障診療第55頁因?yàn)榱鸭鈶?yīng)力應(yīng)變場(chǎng)奇異性，不能再用應(yīng)力作為裂尖場(chǎng)強(qiáng)度描述參量，為此引入應(yīng)力強(qiáng)度因子概念

:

應(yīng)力強(qiáng)度因子是只與裂紋尺寸和載荷大小相關(guān)，與坐標(biāo)（r，）無關(guān)常數(shù)，一旦應(yīng)力強(qiáng)度因子確定，裂尖附近區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變和位移完全確定，它反應(yīng)了裂尖附近應(yīng)力、應(yīng)變、位移場(chǎng)強(qiáng)弱程度，因而成為描述裂尖區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)度主要概念，成為建立裂紋是否失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則主要參數(shù)。

結(jié)構(gòu)故障診療第56頁3.3.2應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則（K準(zhǔn)則）對(duì)于Ⅰ型裂紋，當(dāng)K1到達(dá)臨界值——材料固有抵抗脆性斷裂能力時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，即失穩(wěn)擴(kuò)展臨界條件是：

K1=KC

式中KC是材料妨礙裂紋擴(kuò)展阻力，是由材料抗斷裂性能決定材料常數(shù)，稱為材料斷裂韌性，通常材料斷裂韌性隨材料強(qiáng)度提升而有所降低。結(jié)構(gòu)故障診療第57頁依據(jù)理論分析和試驗(yàn)表明，相同形狀和尺寸裂紋，在Ⅰ型加載情況下，Ⅰ型裂紋較危險(xiǎn)，Ⅰ型裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界條件為

K1=K1C

有時(shí)也表示成裂紋脆斷條件：K1K1C對(duì)于Ⅱ型裂紋問題和Ⅲ型裂紋問題有類似判別式，即：KⅡKⅡC

和KⅢKⅢC

深入分析表明，KIIC和KIIIC不是獨(dú)立材料常數(shù)，而是與KIC相關(guān)材料性能指標(biāo)。結(jié)構(gòu)故障診療第58頁理論分析表明，含裂紋體應(yīng)力強(qiáng)度因子K普通都可表示為：

式中：為遠(yuǎn)離裂紋面上作用應(yīng)力，稱為名義應(yīng)力；a為裂紋尺寸；Y為與裂紋形狀和構(gòu)件形狀及尺寸相關(guān)形狀系數(shù)。結(jié)構(gòu)故障診療第59頁3.4線彈性斷裂力學(xué)適用范圍——塑性區(qū)尺寸限制

線彈性斷裂力學(xué)是建立在理想線彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)上，實(shí)際工程材料并非理想彈性體，在載荷作用下，裂紋尖端必定存在或大或小塑性區(qū)。普通說來，線彈性斷裂理論已不再適用，當(dāng)塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于裂紋尺寸和構(gòu)件整體尺寸，即小范圍屈服情況下，經(jīng)適當(dāng)修正，仍可認(rèn)為線彈性力學(xué)可近似適用。這就是Irwin所謂小塑性區(qū)修正理論。

結(jié)構(gòu)故障診療第60頁為了確保線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)確度和有效性，r值必須限制在以下范圍之內(nèi)：

Ry≤r≤a/10在平面應(yīng)變時(shí)，若取則：上述條件也能夠改用應(yīng)力水平來表示，可得對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)一樣處理后可得

或結(jié)構(gòu)故障診療第61頁上式說明在平面應(yīng)力狀態(tài)下，為了確保線彈性斷裂力學(xué)精度和有效性，其應(yīng)力水平不能超出0.3。所以，咱們通常把應(yīng)力水平作為線彈性斷裂力學(xué)適用范圍。不滿足上述條件裂紋問題只能采取彈塑性斷裂力學(xué)來分析。結(jié)構(gòu)故障診療第62頁第4章基于復(fù)合建模有限元分析裂紋診療與控制4.1裂紋形成和擴(kuò)展普通性問題影響裂紋擴(kuò)展速率原因有：平均應(yīng)力過載影響

加載頻率影響

溫度影響

結(jié)構(gòu)故障診療第63頁4.2機(jī)械承載結(jié)構(gòu)裂紋診療與控制基礎(chǔ)思想4.2.1含有裂紋機(jī)械承載結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)械承載結(jié)構(gòu)投入使用后，伴隨時(shí)間延續(xù)，在長(zhǎng)久機(jī)械載荷、循環(huán)載荷、溫度載荷、腐蝕環(huán)境條件下，材料會(huì)產(chǎn)生損傷，即材料機(jī)械性能會(huì)產(chǎn)生劣化。詳細(xì)表現(xiàn)在材料強(qiáng)度下降，脆性增大。機(jī)械承載結(jié)構(gòu)在使用較長(zhǎng)時(shí)間后（如10年），韌性很好低碳鋼或低碳合金鋼，因?yàn)槠錂C(jī)械性能劣化，材料脆性會(huì)越來越大，尤其是機(jī)械承載結(jié)構(gòu)上有裂紋存在情況下，機(jī)械性能劣化速率會(huì)更加快。所以，對(duì)于使用期已經(jīng)較長(zhǎng)機(jī)械承載結(jié)構(gòu)裂紋用線彈性斷裂力學(xué)處理是能夠。對(duì)于低速、重載、循環(huán)工作機(jī)械承載結(jié)構(gòu)（如起重機(jī)結(jié)構(gòu)），它失效過程能夠看成是循環(huán)載荷作用下疲勞失效。所以，應(yīng)把疲勞裂紋擴(kuò)展視為裂紋擴(kuò)展主要原因加以考慮。結(jié)構(gòu)故障診療第64頁4.2.2裂紋診療與監(jiān)控總體思緒尋找適合現(xiàn)場(chǎng)需要裂紋診療與控制基礎(chǔ)思想是：現(xiàn)有科學(xué)依據(jù)，又要簡(jiǎn)單易行。為了分析簡(jiǎn)單易行和便于實(shí)際利用，從偏于安全考慮，以下咱們把承載結(jié)構(gòu)裂紋均簡(jiǎn)化成Ⅰ型裂紋。這種對(duì)機(jī)械承載結(jié)構(gòu)裂紋診療與控制方法即使比較粗糙，不過簡(jiǎn)單易行，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，也受到現(xiàn)場(chǎng)歡迎。伴隨對(duì)這類結(jié)構(gòu)裂紋研究不停深入，這種方法必將不停得到完善。結(jié)構(gòu)故障診療第65頁4.3機(jī)械承載結(jié)構(gòu)裂紋診療與控制4.3.1裂紋敏感區(qū)確實(shí)定若機(jī)械承載結(jié)構(gòu)材質(zhì)均勻，裂紋萌生主要決定于材料內(nèi)部第一主拉應(yīng)力，另外主拉應(yīng)力較高焊接處（區(qū)），亦可在焊接缺點(diǎn)處萌生裂紋，并在載荷重復(fù)作用下造成裂紋遲緩亞臨界起始擴(kuò)展?；谝陨峡紤]，能夠?qū)Τ休d結(jié)構(gòu)分別在幾個(gè)不一樣惡劣載荷工況下，對(duì)其應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力分布云圖，包含VonMises等價(jià)應(yīng)力云圖和第一主應(yīng)力云圖。由云圖上高區(qū)域確定裂紋易萌生并可能造成遲緩亞臨界擴(kuò)展區(qū)域，稱這種區(qū)域?yàn)榱鸭y敏感區(qū)。并在結(jié)構(gòu)總圖上標(biāo)出裂紋敏感區(qū)。巡檢時(shí)，可在計(jì)算機(jī)上調(diào)出相關(guān)部位，巡查裂紋敏感區(qū)高區(qū)域及周圍焊縫是否存在裂紋。這么，不需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積檢驗(yàn)，僅對(duì)所標(biāo)明裂紋敏感區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)即可。結(jié)構(gòu)故障診療第66頁4.3.2臨界裂紋長(zhǎng)度確實(shí)定裂紋擴(kuò)展臨界長(zhǎng)度ac系指一旦裂紋擴(kuò)展到ac時(shí)，構(gòu)件已喪失承載能力，因?yàn)檫@時(shí)一旦起重機(jī)起吊額定荷載，裂紋即有可能失穩(wěn)快速擴(kuò)展，造成結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于用Q235鋼制作結(jié)構(gòu)，ac大小視其裂紋所在處第一主應(yīng)力大小而定，其計(jì)算公式為：

式中：Y為形狀參數(shù)，普通取Y=1.12

單位取MPa，所得ac單位為mm。欲知裂紋所在處臨界裂紋長(zhǎng)度ac值，只需在主應(yīng)力云圖上查出該處大小，代入上式即可得ac。對(duì)于焊縫及其熱影響區(qū)，KIC小于母材Q235，其斷裂韌性值能夠表示為：

其臨界裂紋長(zhǎng)度為：

式中為焊縫處第一主應(yīng)力。結(jié)構(gòu)故障診療第67頁4.3.3巡檢周期計(jì)算（1）壽命預(yù)估：應(yīng)用Paris公式預(yù)估裂紋構(gòu)件壽命Nf，Nf為允許構(gòu)件循環(huán)極限次數(shù)（或稱極限壽命）。有：

普通地，在一個(gè)工作循環(huán)中，機(jī)械承載結(jié)構(gòu)載荷循環(huán)依次為：空載——加載——卸載（空載）。所以，在一次應(yīng)力循環(huán)中，取：

則有設(shè)N*為承載結(jié)構(gòu)平均天天工作循環(huán)次數(shù)，則帶有裂紋構(gòu)件理論剩下壽命極限天數(shù)為：

對(duì)于Q235鋼，將m=4.128；C=6.29*10-14代入上式，有：結(jié)構(gòu)故障診療第68頁2）巡檢周期因?yàn)闄C(jī)械承載結(jié)構(gòu)實(shí)際載荷復(fù)雜性及Q235鋼實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際工程構(gòu)件材質(zhì)可能存在差異，另外，實(shí)際結(jié)構(gòu)已經(jīng)歷了使用期，材質(zhì)損傷、性能劣化；且處于露天，難于確定改變腐蝕環(huán)境，同時(shí)考慮到疲勞問題分散性等原因，由計(jì)算得到極限壽命，與實(shí)際工程構(gòu)件使用極限使用壽命會(huì)有差異，從工程安全性考慮，尚需對(duì)裂紋結(jié)構(gòu)定時(shí)巡檢，巡檢時(shí)間間隔當(dāng)前只能由經(jīng)驗(yàn)及工程可能條件給定。結(jié)構(gòu)故障診療第69頁4.4裂紋診療與控制實(shí)例圖4.1M1633門座起重機(jī)門架應(yīng)力云圖圖4.1是起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果。該分析結(jié)果模型情況以下：整個(gè)門架采取整體建模，單元類型為板殼單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3642，單元數(shù)為4175。所分析工況為：起重機(jī)處于最大工作幅度，起重量16噸，貨物外擺，側(cè)擺。結(jié)構(gòu)故障診療第70頁從圖4.1應(yīng)力云圖能夠看到，紅色區(qū)域應(yīng)力較大，將這些區(qū)域確定為裂紋敏感區(qū)，并標(biāo)于應(yīng)力云圖上。這些裂紋敏感區(qū)與起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有細(xì)小裂紋區(qū)域基礎(chǔ)吻合。將此應(yīng)力云圖打印輸出或?qū)⒃茍D軟拷貝交給港方起重機(jī)管理人員，他們能夠按云圖重點(diǎn)對(duì)裂紋敏感區(qū)加強(qiáng)巡查，從而縮小了巡查區(qū)域，節(jié)約了人力和物力。若在某區(qū)域發(fā)覺裂紋，測(cè)量出該裂紋長(zhǎng)度，在應(yīng)力云圖上查出該區(qū)域第一主應(yīng)力值，即可計(jì)算出臨界裂紋長(zhǎng)度。假設(shè)發(fā)覺裂紋區(qū)域第一主應(yīng)力為105MPa,則該區(qū)域臨界裂紋長(zhǎng)度為：843mm。若該起重機(jī)天天工作循環(huán)次數(shù)為100次，裂紋初始檢測(cè)長(zhǎng)度為80mm，按計(jì)算式，對(duì)裂紋不進(jìn)行修理時(shí)，該結(jié)構(gòu)極限工作天數(shù)為539天，下次巡檢周期為53天。若53天后，發(fā)覺裂紋已擴(kuò)展至108mm，則該結(jié)構(gòu)極限工作天數(shù)為378天，下次巡檢周期為37天。以這類推，當(dāng)巡檢周期非常小時(shí)，如10天左右，不論該起重機(jī)工作多么繁忙，必須停機(jī)修理裂紋。結(jié)構(gòu)故障診療第71頁第5章裂紋維修方法試驗(yàn)與理論研究5.1概述機(jī)械承載結(jié)構(gòu)作為大型機(jī)械設(shè)備主要組成個(gè)別，已經(jīng)在當(dāng)代工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。伴隨社會(huì)生產(chǎn)快速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備不但數(shù)量增多，而且日益當(dāng)代化，機(jī)械承載結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中所起作用越來越顯著。實(shí)踐表明，企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中機(jī)械承載結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)對(duì)企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本、安全和環(huán)境保護(hù)等，在一定意義上說起了決定性作用，這是科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)相互滲透、緊密結(jié)合、相互促進(jìn)一個(gè)必定趨勢(shì)。對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋有效維修，恢復(fù)結(jié)構(gòu)原有功效，實(shí)質(zhì)上就是消除裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)奇異性，消除應(yīng)力集中。在機(jī)械承載結(jié)構(gòu)使用部門，對(duì)裂紋維修是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)工作，由含有一定知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能人員負(fù)擔(dān)，這對(duì)確保機(jī)械承載結(jié)構(gòu)安全高效運(yùn)行起到了很主要作用。結(jié)構(gòu)故障診療第72頁5.2裂紋失穩(wěn)止裂與穩(wěn)態(tài)維修5.2.1裂紋穩(wěn)態(tài)維修由疲勞引發(fā)金屬裂紋擴(kuò)展大致能夠分為亞臨界擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩個(gè)階段。亞臨界擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率低，失穩(wěn)擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率很高。裂紋在亞臨界擴(kuò)展階段假如不加修復(fù)，一旦應(yīng)力強(qiáng)度因子K靠近K1c，裂紋就會(huì)進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展期,靠近這一階段時(shí)需要對(duì)裂紋進(jìn)行止裂，不然，結(jié)構(gòu)就可能快速失穩(wěn)擴(kuò)展而造成斷裂。由此可見，預(yù)防含有裂紋結(jié)構(gòu)斷裂有兩道防線，其一是在裂紋亞臨界（穩(wěn)態(tài)）擴(kuò)展階段，對(duì)裂紋進(jìn)行及時(shí)維修（穩(wěn)態(tài)維修），這么既能夠防患于未然，又能夠恢復(fù)結(jié)構(gòu)原有功效，而且因?yàn)榇穗A段裂紋擴(kuò)展速率慢，對(duì)裂紋有足夠處理時(shí)間；其二是在對(duì)裂紋亞臨界擴(kuò)展階段失察（未發(fā)覺裂紋、對(duì)裂紋處理不妥等）情況下，進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，這個(gè)階段必須采取必要辦法進(jìn)行補(bǔ)救（失穩(wěn)止裂）。失穩(wěn)止裂因?yàn)殡y度很大，普通用于裂紋不易發(fā)覺而極其主要機(jī)械設(shè)備上，如壓力容器、地下管道、核電站、飛機(jī)等。在這些主要設(shè)備結(jié)構(gòu)上，普通采取止裂設(shè)計(jì)，使用止裂結(jié)構(gòu)，以降低裂紋擴(kuò)展力G或提升止裂韌性值。結(jié)構(gòu)故障診療第73頁5.3裂紋維修試驗(yàn)5.3.1試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)裂紋維修試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是將工程實(shí)際中幾個(gè)維修方法進(jìn)行比較，定性地給出裂紋維修方法優(yōu)劣，供裂紋維修時(shí)參考。因?yàn)樵囼?yàn)經(jīng)費(fèi)及時(shí)間限制，試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容和深度有待深入擴(kuò)充與完善。結(jié)構(gòu)故障診療第74頁5.3.2試件準(zhǔn)備試件為Q235薄板制作用Q235薄板焊接制作5個(gè)小箱形梁,尺寸為550mm*100mm*150mm,板厚為3mm。焊接前,在它們一個(gè)翼緣板上分別作以下處理:

試件1:預(yù)制一條60mm斜裂紋,然后對(duì)該裂紋進(jìn)行直接焊接修復(fù)(如圖5.6);

圖5.6.試件1結(jié)構(gòu)故障診療第75頁試件2:預(yù)制一條25mm直裂紋和一條43mm斜裂紋,兩條裂紋不作任何修復(fù)(如圖5.7);

圖5.7.試件2結(jié)構(gòu)故障診療第76頁試件3:預(yù)制一條30mm直裂紋,然后在該裂紋兩端制作兩條與該裂紋垂直裂紋,將第一條裂紋焊接修復(fù)(如圖5.8)，即檢驗(yàn)本文所提出維修方法試件。

圖5.8.試件3結(jié)構(gòu)故障診療第77頁試件4:預(yù)制一條60mm裂紋,在此裂紋上焊接一塊板進(jìn)行修復(fù)(如圖5.9);

圖5.9.試件4試件5:預(yù)制一條30mm裂紋,然后將有裂紋區(qū)域挖掉,再重新塞一塊板進(jìn)行焊接修復(fù)(如圖5.10)。圖5.10.試件5結(jié)構(gòu)故障診療第78頁5.3.3試驗(yàn)方法及結(jié)果對(duì)試件1～試件5進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載,使各試件預(yù)制裂紋端承受拉應(yīng)力。所加載荷為正弦脈動(dòng)載荷，載荷有四個(gè)等級(jí):-3kN～-55kN；-4kN～-66kN；-4kN～-100kN；-4kN～-110kN，加載跨距為500mm。加載頻率為:15、25、30Hz。觀察各試件,裂紋維修處重新出現(xiàn)裂紋時(shí)，馬上停機(jī)，統(tǒng)計(jì)各試件出現(xiàn)裂紋應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。比較它們出現(xiàn)裂紋時(shí)歸一化應(yīng)力循環(huán)次數(shù),循環(huán)次數(shù)多者,修復(fù)效果好;反之,則修復(fù)效果差。試驗(yàn)結(jié)果以下：試件1：-3kN～-55kN(30Hz),500058次;-4kN～-110kN(25Hz),309461次,試件被壓潰；試件2：-3kN～-55kN(30Hz)，139765次；試件3：-3kN～-55kN(30Hz)，555616次；-4kN～-100kN（15Hz），50000次；-4kN～-110kN（25Hz),246743次；試件4：-4kN～-66kN(30Hz)，400118次；-4kN～-110kN(25Hz)，212440次；試件5：-4kN～-66kN(30Hz)，404562次；-4kN～-110kN(25Hz)，371248次，未發(fā)覺裂紋；試驗(yàn)過程中,試件1被壓潰,不能參加比較。結(jié)構(gòu)故障診療第79頁5.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理在試驗(yàn)過程中，針對(duì)各試件詳細(xì)情況，試驗(yàn)時(shí)載荷都是由小到大進(jìn)行加載，所以，各試件所加載荷并不一致，在相同載荷下循環(huán)次數(shù)也不一致，直接將各試件在出現(xiàn)裂紋時(shí)各級(jí)載荷所對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行累加，把累加循環(huán)次數(shù)之和進(jìn)行比較從而判定各維修方法好壞是不恰當(dāng)，應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，使各試件循環(huán)次數(shù)歸一化。結(jié)構(gòu)故障診療第80頁表5.1試驗(yàn)結(jié)果歸一化處理試件號(hào)12345P1（kN）5555556666N1（次）500058139765555616400118404562P2（kN）110100110110N2（次）30946150000212440371248P3（kN）110N3（次）2467431.88e94.23e85.17e94.31e96.25e9

13104629360358773299544434331結(jié)構(gòu)故障診療第81頁從表5.1中能夠看到，經(jīng)過歸一化處理后，各試件循環(huán)次數(shù)按從大到小秩序排列依次為：試件5，試件3，試件4，試件2。若將各試件歸一化循環(huán)次數(shù)除以試件5歸一化循環(huán)次數(shù)，能夠得到各試件相對(duì)壽命為：試件5為1；試件3為0.82；試件4為0.69；試件2為0.068。即使試件1被壓潰，不參加比較，但到壓潰時(shí)相對(duì)壽命為0.30，仍比試件2高，可見，裂紋不經(jīng)過維修處理，繼續(xù)工作是極其危險(xiǎn)。本文所提出裂紋維修方法是很好，實(shí)際實(shí)施工藝也是可行。結(jié)構(gòu)故障診療第82頁第6章起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋

診療、維修及控制集成化系統(tǒng)6.1概述起重機(jī)是使用比較廣泛一個(gè)機(jī)械。鐵路部門各貨站都采取這種機(jī)械以實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物搬運(yùn)。鄭州鐵路局有貨站447個(gè)，擁有各類起重機(jī)1200臺(tái)，其中，主要是起重機(jī)，負(fù)擔(dān)著全局路工裝卸作業(yè)量90%以上。因?yàn)槭褂媚晗掭^長(zhǎng)，不少起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重缺點(diǎn)，如裂紋、變形、銹蝕等。為了對(duì)鐵路貨場(chǎng)第一線工作起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋進(jìn)行監(jiān)控，加強(qiáng)對(duì)這些起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)管理，確保設(shè)備完好性和降低故障率，指導(dǎo)技術(shù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修，提升勞動(dòng)生產(chǎn)率，預(yù)防發(fā)生嚴(yán)重安全事故，開發(fā)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋診療、維修及控制系統(tǒng)是非常必要，它能取得很好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該系統(tǒng)是武漢理工大學(xué)物流技術(shù)與裝備研究所與使用部門開展裂紋研究工作合作項(xiàng)目之一。

結(jié)構(gòu)故障診療第83頁

該系統(tǒng)有以下功效：有效地管理上述四種起重機(jī)在經(jīng)典使用最不利工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖圖庫；在給出波浪度缺點(diǎn)箱型梁結(jié)構(gòu)板寬度、厚度及波浪度后自動(dòng)計(jì)算該結(jié)構(gòu)實(shí)際有效寬厚比，得到結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)波浪度時(shí)有效承載能力；在知道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋部位應(yīng)力后（經(jīng)過計(jì)算或者經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或直接從應(yīng)力云圖庫中查詢），計(jì)算出現(xiàn)裂紋部位臨界裂紋長(zhǎng)度，依據(jù)臨界裂紋長(zhǎng)度和起重機(jī)在經(jīng)典工況下天天使用次數(shù)，計(jì)算出起重機(jī)結(jié)構(gòu)最大安全使用天數(shù)和巡檢周期；依據(jù)結(jié)構(gòu)裂紋情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修人員提供在線維修咨詢提議；能夠依據(jù)用戶愿意建立用戶使用日志，用戶只要使用了本系統(tǒng)，其使用過程所輸入數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)算得到主要數(shù)據(jù)，系統(tǒng)都將以日志形式統(tǒng)計(jì)存放，便于用戶保留資料和事后查詢；打印輸出結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖、計(jì)算結(jié)果、維修提議及用戶使用日志。結(jié)構(gòu)故障診療第84頁6.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)及文件目錄組織結(jié)構(gòu)6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)采取VisualC++6.0開發(fā)，系統(tǒng)基于微軟企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)類庫(MicrosoftFoundationClass,MFC)，設(shè)計(jì)完全采取面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在含有良好用戶界面同時(shí)保持了系統(tǒng)運(yùn)行健壯性。整個(gè)系統(tǒng)分成以下五個(gè)獨(dú)立模塊，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)多文檔界面(MDI)Windows

應(yīng)用程序，五個(gè)獨(dú)立模塊是：應(yīng)力云圖管理、波浪度缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算、臨界裂紋長(zhǎng)度計(jì)算以及巡檢周期計(jì)算、維修提議。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖6.1所表示。圖6.1系統(tǒng)組成模塊

Windows主控模塊巡檢周期計(jì)算臨界裂紋長(zhǎng)度計(jì)算波浪度幾何缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算應(yīng)力計(jì)算云圖管理應(yīng)力計(jì)算云圖結(jié)構(gòu)故障診療第85頁6.2.2系統(tǒng)文件目錄組織結(jié)構(gòu)對(duì)于每臺(tái)被分析起重機(jī)均建立分析診療統(tǒng)計(jì)文件。統(tǒng)計(jì)文件包含兩個(gè)，擴(kuò)展名分別為“.rgf”和“.log”，其中rgf文件為主文件，它統(tǒng)計(jì)了被分析起重機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，分析部位等等。而log文件是日志文件，它統(tǒng)計(jì)了用戶使用本系統(tǒng)對(duì)某個(gè)起重機(jī)進(jìn)行維護(hù)分析全部活動(dòng)，而且是按照時(shí)間次序不停追加流水帳。本系統(tǒng)主執(zhí)行文件RailRantry.exe包含幫助文件RailGantry.HLP能夠依據(jù)用戶需要安裝在任意目錄中，起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力分布云圖圖庫在主執(zhí)行文件所在目錄下級(jí)子目錄中，并按照L型、U型、C型及A型起重機(jī)分別設(shè)子目錄，各子目錄再按主梁、支腿、下橫梁及四種工況分別給出VonMises合成應(yīng)力和第一主應(yīng)力云圖。至于起重機(jī)分析診療統(tǒng)計(jì)文件則存放在主執(zhí)行文件所在目錄中。本系統(tǒng)文件組織結(jié)構(gòu)如圖6.3所表示。結(jié)構(gòu)故障診療第86頁

圖6.2系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)故障診療第87頁6.3系統(tǒng)模塊與功效系統(tǒng)模塊及功效是結(jié)合起重機(jī)工作特點(diǎn)確定。它包含五個(gè)相互獨(dú)立模塊，另外，還有一個(gè)建立用戶日志輔助功效。下面對(duì)各模塊及其功效作簡(jiǎn)單描述。（1）管理應(yīng)力云圖庫針對(duì)鐵路和港口部門常見幾個(gè)類型起重機(jī)，在ANASYS軟件平臺(tái)下，對(duì)其進(jìn)行分別整體建模、分析計(jì)算。該模塊按照機(jī)型、結(jié)構(gòu)部位、工況、應(yīng)力類型等對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行了分類(參見圖6.3)。用戶依據(jù)使用情況能夠方便、快速地查找到所需要應(yīng)力云圖，還能夠自由地瀏覽圖庫，將應(yīng)力云圖放大，也能夠打印輸出。圖庫管理見圖6.4。（2）波浪度缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算機(jī)械承載結(jié)構(gòu)波浪度缺點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響不是本文研究?jī)?nèi)容，但作為集成系統(tǒng)功效之一，其原理只作簡(jiǎn)單介紹。當(dāng)結(jié)構(gòu)受壓部位板件出現(xiàn)較大波浪變形，即翹曲、凹陷等，波浪變形存在使箱形結(jié)構(gòu)各板應(yīng)力分布不均勻，這種不均勻會(huì)降低板承載能力，從而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)承載能力降低。因?yàn)楫?dāng)外載還未到達(dá)設(shè)計(jì)載荷時(shí)，板邊緣應(yīng)力已經(jīng)到達(dá)甚至超出屈服極限，使板件失去承載能力。結(jié)構(gòu)故障診療第88頁

圖6.3應(yīng)力計(jì)算云圖管理結(jié)構(gòu)故障診療第89頁按力學(xué)界習(xí)慣，將b/t轉(zhuǎn)化成，就得到結(jié)構(gòu)在有波浪變形情況下承載能力曲線。即箱形結(jié)構(gòu)在有波浪變形情況下有效面積公式，設(shè)x代表，y代表,則有效面積公式為：δ0/b=0.002時(shí)：y=-0.0016780x3+0.03789x2-0.3105x+1.1836δ0/b=0.004時(shí)：y=-0.0011390x3+0.02792x2-0.2504x+1.0569δ0/b=0.006時(shí)：y=-0.0007521x3+0.02111x2-0.2086x+0.9546δ0/b=0.008時(shí)：y=-0.0009731x3+0.02347x2-0.2086x+0.9083δ0/b=0.010時(shí)：y=-0.0004075x3+0.01531x2-0.1712x+0.8340δ0/b=0.015時(shí)：y=-0.0008559x3+0.02143x2-0.1888x+0.8012δ0/b=0.020時(shí)：y=-0.0009843x3+0.02290x2-0.1882x+0.7536結(jié)構(gòu)故障診療第90頁為了深入取得箱形結(jié)構(gòu)有效寬厚比，需要對(duì)上面曲線縱坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。因?yàn)锳e/A=be/b，be為板有效寬度，對(duì)該縱坐標(biāo)乘以，就使它成為，其曲線圖如圖6.4所表示。這么圖6.4即為箱形結(jié)構(gòu)有效寬厚比曲線。設(shè)x代表，y代表，則有效寬厚比公式為：

δ0/b=0.002時(shí);y=-0.0016780x4+0.03789x3-0.3105x2+1.1836xδ0/b=0.004時(shí);y=-0.0011390x4+0.02792x3-0.2504x2+1.0569xδ0/b=0.006時(shí);y=-0.0007521x4+0.02111x3-0.2086x2+0.9546xδ0/b=0.008時(shí);y=-0.0009731x4+0.02347x3-0.2086x2+0.9083xδ0/b=0.010時(shí);y=-0.0004075x4+0.01531x3-0.1712x2+0.8340xδ0/b=0.015時(shí);y=-0.0008559x4+0.02143x3-0.1888x2+0.8012xδ0/b=0.020時(shí);y=-0.0009843x4+0.02290x3-0.1882x2+0.7536x當(dāng)δ0/b<0.002時(shí)，按0.002計(jì)算；當(dāng)δ0/b>0.02時(shí)，按0.02計(jì)算；當(dāng)0.002<δ0/b<0.02而又不等于上述7個(gè)數(shù)值時(shí)，用插值求得各對(duì)應(yīng)有效面積或?qū)捄癖?。這么，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算與分析，箱形結(jié)構(gòu)在任一波浪變形下承載能力就能夠全部量化確定了。為了用戶實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力計(jì)算工作。結(jié)構(gòu)故障診療第91頁

圖6.4結(jié)構(gòu)有效寬厚比曲線結(jié)構(gòu)故障診療第92頁(3)臨界裂紋長(zhǎng)度計(jì)算

結(jié)構(gòu)母材和焊接熱影響區(qū)臨界裂紋長(zhǎng)度分別按計(jì)算式計(jì)算,計(jì)算中只需要輸入裂紋部位第一主應(yīng)力,即能夠計(jì)算出母材區(qū)或焊縫區(qū)臨界裂紋長(zhǎng)度。系統(tǒng)一樣會(huì)隨時(shí)監(jiān)視用戶輸入，一旦用戶改變了第一主應(yīng)力值，系統(tǒng)將自動(dòng)提醒用戶重新計(jì)算。而且系統(tǒng)一樣監(jiān)控用戶輸入，預(yù)防輸入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。（4）巡檢周期計(jì)算

計(jì)算中只要用戶輸入裂紋部位當(dāng)前實(shí)際檢測(cè)長(zhǎng)度、起重機(jī)天天工作起吊次數(shù)，就能夠計(jì)算出該裂紋條件下構(gòu)件最大安全工作天數(shù)和對(duì)該裂紋巡檢周期。假如需要，還能夠輸入該起重機(jī)工作場(chǎng)所及設(shè)備編號(hào)等，方便用戶在今后確認(rèn)被分析對(duì)象。因?yàn)橛?jì)算中需要應(yīng)用計(jì)算得到臨界裂紋長(zhǎng)度以及裂紋部位第一主應(yīng)力值，所以程序會(huì)提醒用戶先計(jì)算臨界裂紋長(zhǎng)度再計(jì)算巡檢周期。（5）維修提議維修提議是用戶出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障起重機(jī)進(jìn)行修復(fù)進(jìn)行提議文件。為了方便用戶在現(xiàn)場(chǎng)咨詢維修方法，本系統(tǒng)已經(jīng)將維修提議制作成超文本文件，能夠用Microsoft企業(yè)InternetExplorer網(wǎng)頁瀏覽器查詢。按照網(wǎng)頁形式組織文件，能夠方便用戶查詢維修指南任意位置，能夠依據(jù)需要任意跳轉(zhuǎn)到所需要個(gè)別，含有較強(qiáng)靈活性。

（6）建立日志日志是用戶統(tǒng)計(jì)當(dāng)前起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)供以后查詢。依據(jù)用戶愿意進(jìn)行流水帳式地追加統(tǒng)計(jì)。

結(jié)構(gòu)故障診療第93頁日志范例：===================*歡迎使用本系統(tǒng)!*================此次分析時(shí)間：年05月15日，22:18:27起重機(jī)類型：L型單梁起重機(jī)起重機(jī)母材：Q235起重機(jī)工作場(chǎng)站地址：鄭局武昌北站起重機(jī)設(shè)備編號(hào)：L8401結(jié)構(gòu)部位：主梁工況：第二工況應(yīng)力類型：第一主應(yīng)力視圖特征：剖視圖受壓板件寬度：120.00mm受壓板件厚度：10.00mm板件波浪度峰值：1.50mm板件寬厚比：12.0缺點(diǎn)峰值比：0.013有效承載面積是理論承載面積：71.91%裂紋部位第一主應(yīng)力值：122.00Mpa臨界裂紋長(zhǎng)度：624.56mm焊縫及熱影響區(qū)長(zhǎng)度：137.76mm現(xiàn)存裂紋長(zhǎng)度：98.00mm起重機(jī)天天起吊次數(shù)：123.00次裂紋處安全使用最大天數(shù)：178天裂紋處巡檢周期：17天今天工作場(chǎng)地環(huán)境溫度：24.0度結(jié)構(gòu)故障診療第94頁第7章基于含糊理論機(jī)械結(jié)構(gòu)劣化指數(shù)

及安全性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)應(yīng)用實(shí)例：7.1研究對(duì)象基礎(chǔ)情況天津港六企業(yè)16t/33m門座式起重機(jī)為吊鉤、抓斗兩用，以抓斗裝卸煤炭為主要作業(yè)方式。使用中轉(zhuǎn)臺(tái)筒體出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，給港口安全生產(chǎn)帶來較大隱患。為了了解該機(jī)當(dāng)前結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)，對(duì)該機(jī)結(jié)構(gòu)修復(fù)提出科學(xué)和切合實(shí)際方案，就必須研究和分析它在工作工程中安全性，并對(duì)此作出評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)故障診療第95頁第7章安全性評(píng)價(jià)1、評(píng)價(jià)定義：經(jīng)過對(duì)研究對(duì)象某首先或者多個(gè)方面進(jìn)行定性和（或）定量指標(biāo)分析所得到結(jié)論。2、評(píng)價(jià)步驟：（1）、選擇反應(yīng)對(duì)象狀態(tài)指標(biāo)；（2）、對(duì)所選擇指標(biāo)給出定性或者定量值；（3）、對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行適合數(shù)學(xué)分析；（4）、依據(jù)數(shù)學(xué)分析結(jié)果，判斷對(duì)象所處狀態(tài)；結(jié)構(gòu)故障診療第96頁3、指標(biāo)選?。?.1指標(biāo)選取非常主要，直接關(guān)系到評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。指標(biāo)選取主要按照研究對(duì)象所必須恪守或遵照規(guī)則。3.2對(duì)指標(biāo)中各值賦予一定權(quán)重，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。3.3所選擇數(shù)學(xué)分析方法差異比較大。結(jié)構(gòu)故障診療第97頁7.2轉(zhuǎn)臺(tái)筒體結(jié)構(gòu)建模

該模型基礎(chǔ)情況以下：

3種單元類型（SHELL63、BEAM4、SOLID45）,11種實(shí)常數(shù)（realconstant）,1種材料類型。實(shí)體模型：關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)：373

實(shí)體線數(shù)：815

實(shí)體面數(shù)：436

實(shí)體體數(shù)：24

有限元模型：節(jié)點(diǎn)數(shù)：4254

單元數(shù)：4375結(jié)構(gòu)故障診療第98頁7.3計(jì)算工況計(jì)算工況說明為工況序號(hào)幅度小車位置外擺角度（度）側(cè)擺角度（度）載荷狀態(tài)動(dòng)載系數(shù)1最大幅度33米65滿載1.352中間幅度30米65滿載1.353中間幅度25米65滿載1.354最小幅度9.5米65滿載1.35結(jié)構(gòu)故障診療第99頁7.7.4結(jié)構(gòu)安全性綜合評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)表4整機(jī)結(jié)構(gòu)劣化狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)參數(shù)序號(hào)指標(biāo)類型指標(biāo)詳細(xì)內(nèi)容指標(biāo)所屬層狀態(tài)指數(shù)mi權(quán)重kImiki累計(jì)ΣmikiKi1描述類開裂情況30.8001.51.2001.20.1142結(jié)構(gòu)變形情況30.5000.30.1501.3500.0143銹蝕情況40.5000.60.3001.6500.0284整機(jī)振顫情況40.3000.30.0901.7400.0095焊縫探傷情況20.6000.60.3602.1000.0346材料缺點(diǎn)情況20.6000.60.3602.4600.0347結(jié)構(gòu)抗斷能力情況30.8001.51.2003.6600.1148中修情況20.8000.90.7204.3800.0689中修后使用情況20.7000.80.5604.9400.05310小修情況20.7000.70.4905.4300.04611數(shù)值類結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算情況11.0001.6