起重机作为国民经济建设中不可或缺的重要设备而广泛使用,在工厂车间、施工工地、港口、货场等频繁的工况载荷下,疲劳导致起重机金属结构失效问题逐渐突显。随着起重机向着大型化、轻柔化的方向发展,高强度结构钢的使用也更为广泛。实验研究表明高强度钢的屈服应力和极限应力相对普通结构钢有大幅度的提高,而载荷多变带来疲劳对起重机结构造成的影响大为加剧,人们在关注结构刚度、强度、稳定性的同时,对疲劳性能的研究却相对较少。为保证起重机可靠的工作,不仅需要对强度、刚度和稳定性进行分析,还需要对起重机的疲劳损伤分析和剩余寿命进行分析预测。本文以起重机结构疲劳为研究对象,基于扩展有限元理论给出裂纹尖端应力强度因子的求解方法,研究影响裂纹扩展速率的因素,探讨起重机金属结构疲劳寿命预测中需要明确的要素,得出相应的求解方法和策略,并对起重机典型疲劳结构进行裂纹扩展路径模拟和考虑载荷次序用功率谱函数进行起重机疲劳寿命预测。应力强度因子是基于断裂力学进行疲劳寿命预测的重要参量之一,常规有限元法通过在裂纹尖端布置裂尖奇异单元,即四分之一节点单元而得到相应的数值解。但是随着裂纹的扩展,常规有限元方法的网格必须随着裂纹边界的变化重新进行划分,且裂纹的扩展必须沿着网格边界,使得常规有限元在处理裂纹等不连续问题时显得低效。扩展有限元法通过添加额外的节点自由度,网格划分不随边界的变化,可以很好的处理不连续的问题。本文提出改进的水平集方法对裂纹界面进行识别和跟踪,结合扩展有限元法对裂纹尖端的应力位移场进行数值求解,并用M积分对复合型裂纹进行解耦。虽然扩展有限元法在Abaqus中进行了集成,但采用的补充函数等仍然存在一些不足,本文编写扩展有限元程序对裂纹结构进行数值计算并求取裂尖应力强度因子为后续研究奠定基础。为对起重机进行疲劳寿命预测,须先建立疲劳裂纹扩展速率的模型。经典裂纹扩展速率Paris公式中的参数在不同应力比工况下需用大量的实验进行求取,为此本文提出一种新的考虑应力比影响裂纹扩展速率的模型,针对起重机中最常用的各种材料的试验数据进行验证,鉴于起重机频繁起制动造成反复冲击载荷的恶劣工作环境,本文研究冲击过载对裂纹扩展速率的影响,并用Wheeler模型描述起重机常用材料受单一超载的影响,给出相应的Wheeler模型参数,供起重机行业寿命预测使用。针对Paris公式存在的不完全相似性和不规则量纲的现象,基于Paris和Head公式建立一种指数形式的疲劳裂纹扩展模型,此模型可以退化为Paris和Head模型,以此模型进行寿命预测并将之与已有文献介绍的实验数据进行对比,较好地验证本模型的有效性。针对起重机金属结构的寿命预测,分析寿命预测计算时所需的各要素。初始裂纹是对寿命预测影响的关键因素,起重机行业尚未有一种统一的计算初始裂纹尺寸方法,本文结合Kitagawa-Takahashi图和裂纹应力强度因子阈值,给出一种简洁的、与载荷历程无关的、适用于起重机的等效初始缺陷尺寸及其分布的计算方法。由于裂纹的应力强度因子往往无法用表达式表示,而且裂纹扩展速率通常是高次函数,进行寿命积分时为保证精度需减少积分步长,运用常规的插值或者拟合得到被积函数值进行数值积分时需进行大量的数值计算,为此本文引进Kriging代理模型,对疲劳裂纹扩展寿命进行预测,并给出基于Kriging代理模型的自适应步长算法,对起重机常用材料Q235B和Q345B进行裂纹扩展的算例验证。基于裂纹扩展时扩展有限元算法中的刚度阵只有新裂纹一小部分需要更新,给出一种基于Cholesky矩阵分解的直接修改三角阵的重分析算法,并用计算效率验证算法的高效性。起重机疲劳失效集中在各部件主要及关键构件连接处,基于等效构件法对起重机进行结构静力学简化建模与分析,求得连接处及关键构件的受力解析表达式。以几起典型起重机疲劳失效事故发生部位为验算对象,应用本文方法建模分析,有效地对相应的起重机结构进行裂纹扩展路径的仿真。针对载荷次序的影响,给出基于功率谱密度函数的起重机疲劳寿命预测方法,并对起重机的箱型梁式构件进行疲劳寿命预测,获得与已有文献实验数据相吻合的结果,验证本文方法的有效性。