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基于断裂力学的钢丝绳疲劳寿命预测 作者 （单位） 摘要：基于缺陷探伤法和断裂力学原理，设计了钢丝绳疲劳寿命的预测系统。该系统主要包括声发射检测设备、超声波探伤设备、应力应变测量设备和疲劳寿命分析与评估软件，并给出相关结论。 关键词：钢丝绳；疲劳寿命；断裂力学 Analysis on Structural Fatigue Working Life of Wire Rope Based on Fracture Mechanics Writer (company) Abstract: A discussion on the method of structural fatigue working life for wire rope with fracture mechanics analysis related to estimation for structural fatigue life. A damage limit calculation method for related system also introduced in this paper. Key words: wire rope; Fatigue life; fracture mechanics 0 前言 结构疲劳强度分析不仅在航天、航空、造船等尖端工业领域有着十分重要的意义, 对一般机械设备的使用可靠性和使用寿命评估也具有重要作用。据国外的统计,在机械零件的破坏中有50%～90%为疲劳破坏。我国目前尚没有对疲劳破坏问题进行过全面调查, 但同类产品的使用寿命往往比发达国家低。钢丝绳作为机械起重设备传递载荷的关键部件, 在循环往复的交变载荷作用下, 都可能发生裂纹并扩展, 最后导致突然断裂破坏。正确估算钢丝绳的疲劳寿命, 对起重机械运营安全性、可靠性具有非常重要的意义。 1 结构疲劳寿命分析基本方法 疲劳寿命分析主要包括以下 4 种方法: 1.1名义应力法 以名义应力为基本参数, 以 S—N 曲线为主要计算依据。根据设计寿命的不同, 分为无限寿命设计法和有限寿命设计法； 根据名义应力参数的不同, 又分为应力比法和应力幅法。 名义应力法的主要分析步骤为: 1) 用雨流计数法统计出结构疲劳分析位置在典型工作时间历程中的应力循环情况,确定结构的载荷谱和应力谱。应力循环可以选择典型工作状态计算分析, 也可以现场检测结构应变获取应力谱。 2) 结合材料的 S—N 曲线, 再考虑各种影响系数, 确定结构构件的 S—N 曲线。 3) 按照线形 ( 或非线形) 累计损伤法则进行疲劳强度分析。线形累计损伤法则(Miner 法则) 简单易用, 但该法则没有考虑载荷顺序、残余应力、低于疲劳极限的应力对结构的影响和某些应变时效材料的低应力锻炼作用, 估算出的寿命与实际寿命相比出入较大。采用修正后的 Miner 法则 ( 非线形累计损伤法则) 可以提高分析准确度, 如Marco-Starkey 损伤曲线法和 Corten-Dolan 指数损伤法。 4) 按照一定的累计损伤理论进行疲劳寿命估算。以总损伤值为产生裂纹的依据, 计算裂纹形成寿命, 排除设备过去使用的工作时间, 以此估算金属结构的剩余寿命。 5) 进行验证性疲劳试验。 应用名义应力法计算疲劳寿命, 理论简单, 易于进行应力分析与现场检测。但该方法是以结构材料内没有缺陷和裂纹为前提的, 同时需要在总寿命中排除设备过去工作的应力循环数。由于种种原因, 结构材料内部往往已经存在着初始缺陷或裂纹, 不论是宏观缺陷(或裂纹)还是微观缺陷(或裂纹)； 同时许多企业对进行疲劳分析设备的历史工作记录不全或不准确。这些因素都严重影响了用名义应力法进行结构疲劳寿命分析的准确性。 1.2局部应力应变法 局部应力应变法是在低周疲劳基础上发展起来的疲劳寿命估算方法, 其基本设计参数为应力集中处的局部应变和局部应力。局部应力应变法目前主要应用于单个零件的疲劳分析, 对于大型复杂结构, 尚难以进行精确的应力应变分析。 1.3损伤容限法 损伤容限法是在断裂力学基础上发展起来的一种疲劳分析方法。损伤容限法是以断裂力学理论为基础, 以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的计算、测定技术为手段, 以有初始缺陷或裂纹结构的剩余寿命估算为中心, 以断裂控制为保证, 确保结构在使用期内能够安全使用的一种疲劳分析方法。其基本前提是认为材料内有初始缺陷 (裂纹), 根据材料在外载荷下的裂纹扩展性质, 估算其剩余寿命。 断裂力学认为:材料均有缺陷, 有了裂纹不一定破坏, 只有到达临界状态时的裂纹才能造成结构破坏。损伤容限法的关键是在结构探伤的基础上正确估算裂纹扩展寿命。应用以断裂力学为基础的损伤容限法进行结构疲劳寿命分析, 在飞机、船舶、海洋平台的结构方面均有一定的研