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摘要：随着起重机械的广泛应用，其安全金属结构的安全性也得到了更多人的关注。而起重机械金属结构中最为常见的就是金属结构的疲劳断裂。起重机械在使用的过程中，会因为疲劳断裂而导致危险事故的发生，影响着起重机械的安全使用。本文对起重机械金属结构疲劳断裂进行了分析，研究了疲劳断裂可靠性。
关键词：起重机械，疲劳，断裂，可靠性，新进展
1.引言
2014年10月，国家质检总局公布了新的起重机械的定义，重新指定了纳入特种设备的范围。起重机械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0.5t的升降机;额定起重量大于或者等于3t（或额定起重力矩大于或者等于40t·m的塔式起重机，或生产率大于或者等于300t/h的装卸桥），且提升高度大于或者等于2m的起重机;层数大于或者等于2层的机械式停车设备。新公布的纳入监管的起重机械，在吨位上进行了提高。
起重机械在工业、农业、建筑业、交通运输业得到了广泛的应用，这使得起重机械在现代的生产生活中，占据着非常重要的地位[1]。起重机械是以间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降，或升降与运移物料的机械设备。起重机械通常结构庞大，机构复杂，所吊运的重物形状多样，且载荷复杂多变，起重机械的工作范围通常比较大，作业环境复杂，这些因素都对起重机械的疲劳强度造成影响，尤其是疲劳裂纹的出现。
2.起重机械的疲劳断裂分析
所谓疲劳是指在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。对疲劳的研究就是为了预测金属结构的使用寿命。疲劳发生的条件是有扰动应力的作用，其中应力集中是疲劳破坏的起源。疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始，形成操作并逐渐累积，导致破坏发生。由此可见，疲劳的明显特点是局部性。疲劳破坏的后果是形成裂纹，开始是裂纹的萌生，然后随着不断的使用而产生裂纹的扩展，最后由使用过程中的各种应力作用发生断裂。金属结构变形分为三个阶段，即弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段，其应力应变曲线如图1所示：
图1 金属的应力-应变曲线
金属材料的疲劳断裂过程，通常可以分为四个阶段，即滑移生核阶段，微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段和失稳扩展阶段。
若材料内部没有非金属夹杂物、缺陷或切口之类的应力集中源，则由于零部件表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移，因而通常在表面成核，因此微裂纹都出现在零部件表面，这就是滑移生核阶段。
随着滑移次数的增加，微裂纹逐渐扩展，扩展的方向开始时与拉应力成45度角，然后逐渐过渡到垂直方向，这时裂纹扩展的速率是缓慢的。在宏观裂纹扩展阶段，裂纹尺寸从0.05mm扩展到临界裂纹尺寸为止;当裂纹扩展到临界值之后，即发生失稳断裂。裂纹失稳断裂阶段裂纹的扩展比较快，对寿命的影响相对而言较小，可以忽略掉，因此疲劳裂纹总寿命包括裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分[2]。
3.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展
起重机械的疲劳断裂，是损伤长期积累的结果，一般在发生疲劳断裂之前，并不会有明显的变形，很难发现损伤的存在，因此疲劳断裂的发生具有突然性，其后果通常也将是灾难性的。
疲劳的研究最早是在19世纪初开始于德国，经过几代人的不断努力，发展至今，疲劳寿命评估已经广泛应用到现代工业生产的各个领域中。1961年Paris公式的提出，成为了估算裂纹扩展寿命的有力工具，其后断裂力学快速发展，尤其以线弹性断裂力学发展较为成熟，为研究疲劳断裂可靠性提供了理论基础。
相对于国外，我国对疲劳的研究起步比较晚，开始于20世纪50年代，而且由于基础较差而发展较慢，研究水平相对落后。1978年疲劳会议的召开极大的推动了疲劳理论的快速发展。当前用于疲劳寿命评估的计算方法主要包括断裂力学法、局部应力应变法和计算机仿真分析法。
断裂力学法以断裂力学为基础进行裂纹的评估。该方法从理论上而言更加合理，但是由于存在经验性数据不精确的缺点，而且因为实际应力复杂、裂纹难以判定等因素使得计算误差比较大。
局部应力应变法是当前最有效的寿命评估方法，广泛应用到焊接结构、起重机械等的疲劳寿命评估中。但是该方法不能用于高强度疲劳的计算，因为其计算精度变差。
最近几年来，一些研究人员把一些新理论和新方法应用到起重机械疲劳断裂可靠性分析中，为起重机械的疲劳断裂应用提供了许多新的估算方法，从而逐步发展成了随机有限元、基于神经网络的可靠性模型等 [3]。
随机有限元法是近20多年才发展起来的一种工程数值计算方法，由于该方法把随机参数的影响考虑在内，被广泛应用于计算金属结构的可靠度、动力问题、非线性问题及复合材料力学等。随着起重机械疲劳断裂理论的不断发展，该方法也被逐步的应用于起重机械的疲劳断裂可靠性分析方面。因为起重机械的工作环境复杂，受到许多不确定因素的影响，局部应力应变相应也是随机的，随机有限元法是随机结构分析最有力的工具。
4.总结
本文对疲劳断裂进行了分析，并对断裂发生的原因进行了总结。结合当前疲劳断裂的理论基础和可靠性进行了研究，总结了国内外主流的分析方法，希望能够对相关人员有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]张应立.桥式起重机安全技术[M].北京：中国石化出版社，2007
[2]张新峰.起重机桁架臂疲劳全寿命评估与分析[D].大连：2013.6
[3]郑严，程文明，程跃.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J].北京：起重运输机械，2009（10）
关键词：起重机械，疲劳，断裂，可靠性，新进展
1.引言
2014年10月，国家质检总局公布了新的起重机械的定义，重新指定了纳入特种设备的范围。起重机械，是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0.5t的升降机;额定起重量大于或者等于3t（或额定起重力矩大于或者等于40t·m的塔式起重机，或生产率大于或者等于300t/h的装卸桥），且提升高度大于或者等于2m的起重机;层数大于或者等于2层的机械式停车设备。新公布的纳入监管的起重机械，在吨位上进行了提高。
起重机械在工业、农业、建筑业、交通运输业得到了广泛的应用，这使得起重机械在现代的生产生活中，占据着非常重要的地位[1]。起重机械是以间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降，或升降与运移物料的机械设备。起重机械通常结构庞大，机构复杂，所吊运的重物形状多样，且载荷复杂多变，起重机械的工作范围通常比较大，作业环境复杂，这些因素都对起重机械的疲劳强度造成影响，尤其是疲劳裂纹的出现。
2.起重机械的疲劳断裂分析
所谓疲劳是指在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。对疲劳的研究就是为了预测金属结构的使用寿命。疲劳发生的条件是有扰动应力的作用，其中应力集中是疲劳破坏的起源。疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始，形成操作并逐渐累积，导致破坏发生。由此可见，疲劳的明显特点是局部性。疲劳破坏的后果是形成裂纹，开始是裂纹的萌生，然后随着不断的使用而产生裂纹的扩展，最后由使用过程中的各种应力作用发生断裂。金属结构变形分为三个阶段，即弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段，其应力应变曲线如图1所示：
图1 金属的应力-应变曲线
金属材料的疲劳断裂过程，通常可以分为四个阶段，即滑移生核阶段，微观裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段和失稳扩展阶段。
若材料内部没有非金属夹杂物、缺陷或切口之类的应力集中源，则由于零部件表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移，因而通常在表面成核，因此微裂纹都出现在零部件表面，这就是滑移生核阶段。
随着滑移次数的增加，微裂纹逐渐扩展，扩展的方向开始时与拉应力成45度角，然后逐渐过渡到垂直方向，这时裂纹扩展的速率是缓慢的。在宏观裂纹扩展阶段，裂纹尺寸从0.05mm扩展到临界裂纹尺寸为止;当裂纹扩展到临界值之后，即发生失稳断裂。裂纹失稳断裂阶段裂纹的扩展比较快，对寿命的影响相对而言较小，可以忽略掉，因此疲劳裂纹总寿命包括裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分[2]。
3.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展
起重机械的疲劳断裂，是损伤长期积累的结果，一般在发生疲劳断裂之前，并不会有明显的变形，很难发现损伤的存在，因此疲劳断裂的发生具有突然性，其后果通常也将是灾难性的。
疲劳的研究最早是在19世纪初开始于德国，经过几代人的不断努力，发展至今，疲劳寿命评估已经广泛应用到现代工业生产的各个领域中。1961年Paris公式的提出，成为了估算裂纹扩展寿命的有力工具，其后断裂力学快速发展，尤其以线弹性断裂力学发展较为成熟，为研究疲劳断裂可靠性提供了理论基础。
相对于国外，我国对疲劳的研究起步比较晚，开始于20世纪50年代，而且由于基础较差而发展较慢，研究水平相对落后。1978年疲劳会议的召开极大的推动了疲劳理论的快速发展。当前用于疲劳寿命评估的计算方法主要包括断裂力学法、局部应力应变法和计算机仿真分析法。
断裂力学法以断裂力学为基础进行裂纹的评估。该方法从理论上而言更加合理，但是由于存在经验性数据不精确的缺点，而且因为实际应力复杂、裂纹难以判定等因素使得计算误差比较大。
局部应力应变法是当前最有效的寿命评估方法，广泛应用到焊接结构、起重机械等的疲劳寿命评估中。但是该方法不能用于高强度疲劳的计算，因为其计算精度变差。
最近几年来，一些研究人员把一些新理论和新方法应用到起重机械疲劳断裂可靠性分析中，为起重机械的疲劳断裂应用提供了许多新的估算方法，从而逐步发展成了随机有限元、基于神经网络的可靠性模型等 [3]。
随机有限元法是近20多年才发展起来的一种工程数值计算方法，由于该方法把随机参数的影响考虑在内，被广泛应用于计算金属结构的可靠度、动力问题、非线性问题及复合材料力学等。随着起重机械疲劳断裂理论的不断发展，该方法也被逐步的应用于起重机械的疲劳断裂可靠性分析方面。因为起重机械的工作环境复杂，受到许多不确定因素的影响，局部应力应变相应也是随机的，随机有限元法是随机结构分析最有力的工具。
4.总结
本文对疲劳断裂进行了分析，并对断裂发生的原因进行了总结。结合当前疲劳断裂的理论基础和可靠性进行了研究，总结了国内外主流的分析方法，希望能够对相关人员有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]张应立.桥式起重机安全技术[M].北京：中国石化出版社，2007
[2]张新峰.起重机桁架臂疲劳全寿命评估与分析[D].大连：2013.6
[3]郑严，程文明，程跃.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展[J].北京：起重运输机械，2009（10）