摘要：焊接结构件疲劳是一个十分复杂的问题，其研究过程中涉及因素众多，加之实验条件和结构件实际工作条件间存在较大差距，国内外研究者们在此方面做了大量工作并取得一定成果，但对于金属焊接结构的疲劳强度和疲劳寿命问题研究仍未取得较通用且精确的结论。塔式起重机（以下简称塔机）是一种典型的金属焊接结构，随着建筑业的飞速发展，其满载率和工作繁忙度也大大增加。近几年来，塔机事故时而发生，并呈上升趋势，根据行业调查，有很大一部分塔机事故是由于结构件疲劳引起的。
关键词：焊接结构件；疲劳寿命；塔式起重机；起重臂
引言
焊接作为现代结构生产制造中最主要的连接方式，它具有制造简单、易于加工、优化截面、刚度大、连接性好等优点，广泛应用于社会的各个领域中，如工程机械、航空航天、电子信息、核能利用、高层建筑等，并取得良好的效果。焊接技术作为制造业的基础工艺和技术在社会的进程中为工业领域的发展做出了重大贡献。
塔式起重机（以下简称塔机）是建筑行业应用范围最广的一类起重机械，其结构主要由塔身、塔帽、起重臂和平衡臂四部分构成，这四部分都是由金属结构件焊接而成，其主要应用于建筑工地上的水平和垂直吊装，其工作特点是适用范围广、工作效率高、回转半径大、起升高度高、操作方便、安装与拆卸也比较方便，属于高空作业。近年来，随着国民经济的快速发展和建筑行业规模的扩大，塔机创造了很好的经济和社会效益。我国已成为世界上民用塔机的生产大国，也是世界上塔机主要需求市场之一。
1本课题研究的目的和意义
目前，伴随着城市建设的快速发展，装备行业的突飞猛进，塔机的应用也日趋广泛，与此同时，塔机事故的发生也逐渐增加。分析其发生的原因，对防止塔机疲劳事故的发生，指导塔机安全使用，保护劳动者安全等方面有着重要意义。塔机是典型的金属焊接桁架结构，由于制造水平的有限，在其焊接制造的过程中不可避免的会出现焊接缺陷，在使用过程中这些缺陷逐渐扩展为裂纹直至断裂。焊接处的疲劳裂纹比较隐蔽，用肉眼很难发现，外加塔机的使用周期较长，疲劳断裂发生的突然性，一旦塔机焊接结构中出现疲劳裂纹，就为其安全使用埋下隐患。焊接结构件的疲劳强度决定着整机的安全使用，因此焊接结构件疲劳问题的研究作为工程机械疲劳寿命研究的基础显得至关重要。
2 焊接结构件的疲劳理论
2.1 金属结构疲劳问题
零件或构件受到交变载荷的作用时，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。根据实际生产的需要，结构形式也来越复杂，出现在结构中的疲劳裂纹及其扩展过程很难被发现，再加上疲劳断裂是瞬间发生，因此疲劳破坏的发生很难被预测，一旦疲劳破坏发生，会给人们造成极大的经济损失并危及劳动者的安全。金属疲劳的研究已有近150年的历史。众多的科研工作者在金属疲劳领域做了大量工作，取得了很多有关金属疲劳破坏的理论。但由于疲劳研究过程中涉及的因素较多，并与金属结构的实际工作条件有着重要联系，所以已经取得的成果仅适用于研究在特定的环境下工作的特定结构，尚未推广至某一领域或是某一行业。据相关资料统计，有90%的机械零部件的断裂破坏是由直接疲劳或者间接疲劳引起的。因此，为了有效的防止结构件疲劳破坏的继续发生，在设计阶段就需要考虑结构件的疲劳强度，在其批量生产之前还需要进行大量试验进行验证，以确保其在服役阶段的安全性。
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2.2 断裂力学基本理论
通过前面分析得，疲劳裂纹扩展速率决定着结构件的使用寿命长短，所以，在疲劳问题研究过程特别是结构件疲劳寿命研究过程中，疲劳裂纹扩展规律是其研究的重点，此问题的研究往往是以力学和疲劳断裂为理论基础。研究疲劳问题所需要的各种物理模型或数学表达式所描述的疲劳破坏形式相互独立，但由于他们建立在共同的理论基础之上，所以他们之间也存在一定联系。在研究任何问题时，都不可能将其孤立起来，应将其放在工作环境中，分析其特性以及与周围事物的联系或之间的相互影响。由于某些原因，疲劳裂纹在结构件中形成后，在疲劳裂纹尖端容易形成较大的应力集中，造成尖端附近材料发生塑性屈服。当结构件所受外载荷不大时，裂纹尖端所形成塑性区尺寸比结构件整体尺寸小很多时，可以认为塑性区域外围的弹性区域决定着结构件在受载状态下所表现出来的力学性能，研究线弹性问题的主要理论有能量理论和应力强度因子理论。由于某些材料的塑性较好，在高应力的作用下，裂纹尖端附近将会形成较大塑性区域，线弹性断裂力学理论不再适用，需用弹塑性断裂力学解决此类问题，常用的理论有 积分理论与 COD 理论。
2.3疲劳裂纹扩展
结构疲劳寿命通常由疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分组成。疲劳裂纹形成寿命是由初始细小缺陷发展到可检测到的裂纹所对应的寿命，由疲劳理论方法确定；疲劳裂纹扩展寿命是由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹长度并发生疲劳破坏所对应的寿命，采用断裂力学方法确定。
2.4焊接结构疲劳寿命影响因素
由于制造技术的限制，结构焊缝中通常会存在夹渣、未焊透、裂纹、咬边等焊接缺陷，这些先天性的缺陷可以看作初始裂纹存在于结构中，结构不需要经过疲劳裂纹的萌生阶段，直接进入疲劳裂纹扩展阶段，缩短断裂的进程，降低其疲劳寿命。焊接结构的疲劳裂纹产生处往往存在着较高的焊接残余应力或严重的应力集中。
在名义应力疲劳载荷作用下，焊接接头应力集中区由于缺口效应容易发生微区域循环塑性变形，并受周围弹性区的约束。这种局部塑形循环区疲劳裂纹萌生与早期扩展对于焊接结构的疲劳寿命有着很大影响。
3焊接残余应力对塔式起重机起重臂疲劳寿命的影响
塔机起重臂在焊接过程中，由于受到材料自身条件、焊接工艺和水平等因素的影响或限制，焊缝附近不可避免的会存在缺口、夹渣、咬边、气孔等焊接缺陷，在一定程度上，这些缺陷可以看作为初始裂纹，缺陷在外载荷和焊接残余应力双重作用下逐渐扩展直至结构断裂。为了研究焊接结构件疲劳破坏过程中各材料或结构参数对疲劳裂纹扩展速率的影响，本文选用 公式来分析结构件的疲劳裂纹扩展速率。
4结论
焊接技术已广泛应用于工程机械的设计制造中，焊接技术和其它制造技术相比具有众多优势，同时也容易产生新的缺陷。结构焊接过程中，同时发生着一系列的物理变化和化学反应，焊接接头的屈服强度一般大于母材的屈服强度，静载情况下能满足强度需要。但在焊缝处容易出现裂纹、夹渣、气孔等焊接缺陷，这些缺陷在交变载荷作用下会逐渐扩展直至断裂，为结构的安全使用埋下隐患。本论文通过对焊接结构疲劳问题的分析，研究了理论力学、断裂力学等基础知识，总结了疲劳问题分析方法，建立了焊接结构实体模型，计算其焊接残余应大小及分布，得到了焊接残余应力对疲劳裂纹扩展及疲劳寿命的影响。
参考文献
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[2]关瑞娇，郑建辉.塔式起重机倾覆的原因及对策 [J].建筑安全. 2009 ，（6）：12-13
论文作者:毛相黎波
论文发表刊物:《基层建设》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/9
标签：疲劳论文; 裂纹论文; 结构论文; 应力论文; 寿命论文; 结构件论文; 塔机论文; 《基层建设》2017年第11期论文;