[发明专利]一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法

权利要求书

1.一种具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、计算初始裂纹尺寸a₀：

对原始裂纹进行当量化处理，将其转化成规则化裂纹，根据规则化裂纹计算出初始裂纹尺寸a₀；所述初始裂纹尺寸a₀是指开始计算起重机金属结构剩余寿命时的最大原始裂纹尺寸；

步骤二、计算临界裂纹尺寸a_c：

所述临界裂纹尺寸a_c指在给定的受力情况下，起重机金属结构不发生脆断所容许的最大裂纹尺寸；

临界裂纹尺寸a_c根据以下原则确定：起重机金属结构的应力强度因子范围ΔK小于快速扩展区起点的ΔK；由于临界裂纹尺寸a_c对疲劳寿命影响较小，用K_Ic的下限值代替快速扩展区起点的应力强度因子，由此可得：

式中，K_Ic为材料的断裂韧度

f为形状因子；

σ为循环应力的最大值(MPa)；

步骤三、计算疲劳裂纹扩展寿命N_P：

考虑等幅应力，将Paris公式积分，可得疲劳裂纹扩展寿命为：

式中，da/dN为疲劳裂纹扩展速率，ΔK为应力强度因子范围，ΔK＝K_max-K_min；C为起重机金属结构的材料常数，m为直线斜率；

步骤四、剩余寿命的确定：

根据步骤三中计算出的疲劳裂纹扩展寿命N_P除以寿命安全系数n_N即为起重机金属结构剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述寿命安全系数可取为n_N＝2～4。

3.根据权利要求1或2所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，公式(2)积分可得：

1)、若形状因子f与裂纹尺寸a无关，则：

当m≠2时

当m＝2时

上式中，Δσ＝σ_max-σ_min，即应力差Δσ为循环应力最大值σ_max减去最小值σ_min；da/dN和ΔK的单位为mm/C和或m/C和

2)、若f值为裂纹尺寸a的函数，则可以把(a_c-a₀)分为若干段，用每段中裂纹尺寸a的平均值计算f和各段寿命N_pi，各段寿命N_pi之和即为从a₀到a_c得疲劳裂纹扩展寿命N_P。

4.根据权利要求3所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，疲劳裂纹扩展速率da/dN为应力强度因子范围ΔK的函数；da/dN与ΔK的关系在双对数坐标上是一条S形曲线，该曲线划分为三个区域：Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区；

其中，Ⅰ区为不扩展区，这时ΔK<ΔK_th，ΔK_th称为界限应力强度因子或门槛值，在空气介质中满足平面应变条件的情况下，当da/dN＝10^-8～10^-7mm/c时，即认为其ΔK接近于ΔK_th；

Ⅱ区为条纹扩展区，其扩展机制为条纹机制，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要区域；在此区域，da/dN与ΔK在双对数坐标上呈线性关系，此区的裂纹扩展速率可以用著名的Paris公式表示：

式中，ΔK为应力强度因子变化范围，ΔK＝K_max-K_min；K_max为应力强度因子最大值，K_min为应力强度因子最小值；

C为起重机金属结构的材料常数，m为直线部分的斜率；

Ⅲ区为快速扩展区，由于其扩展速率很高，因此Ⅲ区的裂纹扩展寿命很短，在计算疲劳裂纹扩展寿命时可以将其忽略。

5.根据权利要求4所述的具有裂纹缺陷的起重机金属结构剩余寿命计算方法，其特征在于，所述规则化裂纹共有三种，即表面裂纹、埋藏裂纹和穿透裂纹。