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[摘 要]本文通过应用有限元静态应力分析技术获得门式起重机门架结构的危险点，使用起重机动力学理论进一步求解出门架载荷时间历程，结合MATLAB软件产生的随机起重量得到典型载荷循环块，在此基础上基于危险应力分布、典型载荷循环块和Miner损伤理论，最后利用疲劳寿命计算软件FE-FATIGUE估算出门架的疲劳寿命。
[关键词]门架 有限元 疲劳寿命
中图分类号：F169.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0323-02
[Abstract]Get the critical locations of the portal structure by using finite element method static stress analysis technology， and use dynamics theory of crane to get the load time histories of portal，then get the typical load cycle block with the random lifting capacity generated by MATLAB.Based on the danger stress distribution， the typical load cycle block and the theory of Miner， calculate the fatigue life of the portal by using the soft of FE-FATIGUE finally.
[Key words]the portal ； finite element ； the fatigue life
1.引言
集装箱门式起重机作为一种重要的物料搬运机械广泛应用于码头、铁路货场等集装箱倒运场合，使用工作级别较高，结构以焊接形式为主，而焊接结构受交变动载荷作用时，80%～90%的失效形式为破坏后果较为严重的疲劳断裂，所以有必要选用较为精确的算法来估算其疲劳寿命。集装箱门式门架结构复杂，而且其在使用过程当中所承受的载荷更多的表现出随机载荷的时变特性，若使用计算机对门架寿命进行估算时施加接近于实际工作状态的载荷，则可以获得较为准确的疲劳寿命，并且这种门式起重机金属结构疲劳寿命的预测，可以使设计开发周期得到明显缩短，研发成本得到进一步节约。
本文以起重机起升动作的动力学分析
为基础，与MATLAB软件产生的随机起重量结合起来进行载荷循环块的构建，利用有限元分析软件ANSYS进行静态应力分析，以获得危险部位应力区域。结合疲劳累积损伤Miner理论，利用FE-FATIGUE在计算机虚拟开发环境当中完成门架的疲劳损伤预测。
计算流程图如图1。
2.有限元模型建立
本文研究对象为标准的36t集装箱门式起重机门架，跨度为22.5m。满载时起升速度为12m/min，小车满载运行速度60m/min，大车满载运行速度50m/min，外形图如图2。选择典型工况对结构进行静态应力分析，确定危险位置。经计算最危险工况为小车位于门架有效悬臂11.1m处满载起吊（考虑动载作用），大车制动，考虑门架自重，风载荷（平行于大车轨道），门架惯性力，门架偏斜侧向力。此时门架应力云图如图2最大应力为181.306MPa。
3.工况—载荷时间历程
集装箱门式起重机小车的去程、回程、上升起制动、下降起制动过程当中其运动状态将会发生改变，承受冲击载荷，导致门架发生振动，引起交变应力从而萌生疲劳损伤。
3.1 载荷上升起动工况下的载荷-时间历程
吊重在离地起升过程当中主要含有三个阶段，第一个主要阶段包括由起升动作开始，钢丝绳此时由松弛状态逐渐收紧，直到钢丝绳整体开始受力结束。第二阶段主要时间段为钢丝绳受力开始至滑轮组的弹性张力等于吊重的重力，第三阶段从吊重离地瞬间开始。经简化得到该工况下系统动力学模型为二质量二自由度系统。
3.2 移动载荷时间历程
在ANSYS当中完成为小车从有效悬臂处起吊，运行至跨中卸载工况的瞬态动力学分析，。之后结果文件导入FE-FATIGUE，由FE-FATIGUE软件计算移动载荷时间历程对结构造成的疲劳损伤。
3.3 小车制动工况载荷时间历程
4.典型载荷循环块构建
集装箱门式起重机完整的一个工作循环对应不同的载荷水平，载荷循环次数可按工作循环次数计算。现在由MATLAB产生如图4所示的50个随机数作为4个小时内的起重量，将50次仿真循环合并为一个典型载荷循环块，整个载荷谱便是该载荷块谱的重复作用。由于计算工作循环较多，可认为载荷时间历程是平稳的，可用仿真的有限样本代替母体。
5.材料S-N曲线
金属结构疲劳破坏包含裂纹萌生、裂纹扩展和断裂三个阶段，虽然低于疲劳极限的循环应力不能在焊缝处产生裂纹，但是裂纹一旦形成，低于疲劳极限的循环应力会使裂纹扩展，且低于疲劳极限的循环应力在载荷谱中占有的比率很高，因而有必要将低于疲劳极限的循环应力考虑在内，对P-S-N曲线进行修正。
修正P-S-N曲线分段表达式为：
6.结构疲劳寿命预测
在FE-FATIGUE软件当中首先将后缀名为.rst的ANSYS的模型文件调入，另外将载荷时间历程文件转换成fes格式文件，然后选择Miner损伤法则，结合材料的S-N曲线计算得到结构的寿命值，门架对数疲劳寿命云图如图5、图6。按每天运行20小时，每年运行360天计算，整个门架疲劳寿命为35年。
7.结论
本文结合36t集装箱门式起重机门架给出了一种基于概率统计理论，起重机动力学和有限元预测结构疲劳寿命的联合计算方法，得到了门架疲劳寿命的结果。结果表明，这种方法可以有效的计算结构的疲劳寿命，通过获得的门架疲劳寿命结果，为集装箱门式起重机门架的服役时间提供了参考。
参考文献
[1] 胡宗武，阎以诵.起重机动力学[M].北京：机械工业出版社，1988：43-44.
[2] 高镇同，熊峻江等.疲劳可靠性[M].北京：航空航天大学出版社，2000：133-134.
[3] 王国军，胡仁喜，陈欣等.nsoft疲劳分析理论与应用实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007：111-112.
[4] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5] 中华人民共和国国家标准GB3811-83.起重机设计规范[S].北京：国家标准局出版社，1983.
作者简介
彭伟，（1983.9-）男，工程师，硕士研究生。
[关键词]门架 有限元 疲劳寿命
中图分类号：F169.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0323-02
[Abstract]Get the critical locations of the portal structure by using finite element method static stress analysis technology， and use dynamics theory of crane to get the load time histories of portal，then get the typical load cycle block with the random lifting capacity generated by MATLAB.Based on the danger stress distribution， the typical load cycle block and the theory of Miner， calculate the fatigue life of the portal by using the soft of FE-FATIGUE finally.
[Key words]the portal ； finite element ； the fatigue life
1.引言
集装箱门式起重机作为一种重要的物料搬运机械广泛应用于码头、铁路货场等集装箱倒运场合，使用工作级别较高，结构以焊接形式为主，而焊接结构受交变动载荷作用时，80%～90%的失效形式为破坏后果较为严重的疲劳断裂，所以有必要选用较为精确的算法来估算其疲劳寿命。集装箱门式门架结构复杂，而且其在使用过程当中所承受的载荷更多的表现出随机载荷的时变特性，若使用计算机对门架寿命进行估算时施加接近于实际工作状态的载荷，则可以获得较为准确的疲劳寿命，并且这种门式起重机金属结构疲劳寿命的预测，可以使设计开发周期得到明显缩短，研发成本得到进一步节约。
本文以起重机起升动作的动力学分析
为基础，与MATLAB软件产生的随机起重量结合起来进行载荷循环块的构建，利用有限元分析软件ANSYS进行静态应力分析，以获得危险部位应力区域。结合疲劳累积损伤Miner理论，利用FE-FATIGUE在计算机虚拟开发环境当中完成门架的疲劳损伤预测。
计算流程图如图1。
2.有限元模型建立
本文研究对象为标准的36t集装箱门式起重机门架，跨度为22.5m。满载时起升速度为12m/min，小车满载运行速度60m/min，大车满载运行速度50m/min，外形图如图2。选择典型工况对结构进行静态应力分析，确定危险位置。经计算最危险工况为小车位于门架有效悬臂11.1m处满载起吊（考虑动载作用），大车制动，考虑门架自重，风载荷（平行于大车轨道），门架惯性力，门架偏斜侧向力。此时门架应力云图如图2最大应力为181.306MPa。
3.工况—载荷时间历程
集装箱门式起重机小车的去程、回程、上升起制动、下降起制动过程当中其运动状态将会发生改变，承受冲击载荷，导致门架发生振动，引起交变应力从而萌生疲劳损伤。
3.1 载荷上升起动工况下的载荷-时间历程
吊重在离地起升过程当中主要含有三个阶段，第一个主要阶段包括由起升动作开始，钢丝绳此时由松弛状态逐渐收紧，直到钢丝绳整体开始受力结束。第二阶段主要时间段为钢丝绳受力开始至滑轮组的弹性张力等于吊重的重力，第三阶段从吊重离地瞬间开始。经简化得到该工况下系统动力学模型为二质量二自由度系统。
3.2 移动载荷时间历程
在ANSYS当中完成为小车从有效悬臂处起吊，运行至跨中卸载工况的瞬态动力学分析，。之后结果文件导入FE-FATIGUE，由FE-FATIGUE软件计算移动载荷时间历程对结构造成的疲劳损伤。
3.3 小车制动工况载荷时间历程
4.典型载荷循环块构建
集装箱门式起重机完整的一个工作循环对应不同的载荷水平，载荷循环次数可按工作循环次数计算。现在由MATLAB产生如图4所示的50个随机数作为4个小时内的起重量，将50次仿真循环合并为一个典型载荷循环块，整个载荷谱便是该载荷块谱的重复作用。由于计算工作循环较多，可认为载荷时间历程是平稳的，可用仿真的有限样本代替母体。
5.材料S-N曲线
金属结构疲劳破坏包含裂纹萌生、裂纹扩展和断裂三个阶段，虽然低于疲劳极限的循环应力不能在焊缝处产生裂纹，但是裂纹一旦形成，低于疲劳极限的循环应力会使裂纹扩展，且低于疲劳极限的循环应力在载荷谱中占有的比率很高，因而有必要将低于疲劳极限的循环应力考虑在内，对P-S-N曲线进行修正。
修正P-S-N曲线分段表达式为：
6.结构疲劳寿命预测
在FE-FATIGUE软件当中首先将后缀名为.rst的ANSYS的模型文件调入，另外将载荷时间历程文件转换成fes格式文件，然后选择Miner损伤法则，结合材料的S-N曲线计算得到结构的寿命值，门架对数疲劳寿命云图如图5、图6。按每天运行20小时，每年运行360天计算，整个门架疲劳寿命为35年。
7.结论
本文结合36t集装箱门式起重机门架给出了一种基于概率统计理论，起重机动力学和有限元预测结构疲劳寿命的联合计算方法，得到了门架疲劳寿命的结果。结果表明，这种方法可以有效的计算结构的疲劳寿命，通过获得的门架疲劳寿命结果，为集装箱门式起重机门架的服役时间提供了参考。
参考文献
[1] 胡宗武，阎以诵.起重机动力学[M].北京：机械工业出版社，1988：43-44.
[2] 高镇同，熊峻江等.疲劳可靠性[M].北京：航空航天大学出版社，2000：133-134.
[3] 王国军，胡仁喜，陈欣等.nsoft疲劳分析理论与应用实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007：111-112.
[4] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5] 中华人民共和国国家标准GB3811-83.起重机设计规范[S].北京：国家标准局出版社，1983.
作者简介
彭伟，（1983.9-）男，工程师，硕士研究生。