重大机械装备长期工作在复杂环境下,结构和零部件力学性能逐渐退化,一旦发生事故,极易造成重大经济损失和重大人员伤亡。冶金起重机作为重要的熔融金属搬运设备,其工作环境恶劣,整机价格昂贵,且维护费用较大。随着钢铁产量的需求不断增加,冶金起重机大负荷运行,造成了很大的安全隐患。长期以来,冶金起重机结构安全性评价一直是工程技术难题,原因在于冶金起重机工作环境复杂,载荷复杂,安全性要求高。在冶金起重机结构安全性评价中,焊缝的安全指标评价是最为复杂也是对整个结构安全性影响最大的指标。本文以建立冶金起重机金属结构安全评价体系和评价体系中最复杂的焊缝指标疲劳寿命评估问题为重点内容,对冶金起重机金属结构安全性评价开展研究。针对冶金起重机结构安全评价体系的层次构建(系统辨识)问题,建立以指标状态值为决定因素的识别方法;对评价体系中最复杂的焊缝安全指标评价问题,通过比较不同的疲劳寿命评估方法,以动态载荷为激励研究焊缝的疲劳寿命评价指标。本文完成的主要工作和研究结论有:(1)通过调研冶金起重机维保纪录确定了以主梁和端梁为评价体系的子系统层,然后对冶金起重机结构从设计角度和服役故障角度进行评价指标的筛选,确定了以强度、刚度、局部变形、腐蚀和焊缝为各子系统的评价指标,描述了各评价指标的影响。研究发现冶金起重机结构系统符合综合安全评价方法中层次分析法的特点,从而以层次分析法的层次结构为基础构建了双梁冶金起重机结构安全性评价逻辑层次树。最后,确定了各评价指标的状态度量计算方法和极限状态值,其中焊缝指标中提出了以未检测到宏观裂纹和检测到宏观裂纹两种状态进行评价。(2)在建立的双梁冶金起重机金属结构安全性评价体系中,各子结构的五个指标中焊缝指标的状态评价是最复杂的。对焊缝进行寿命评估需要焊缝危险点的时程应力,本文针对危险点时程应力的计算进行了研究。从振动理论出发将冶金起重机结构、铁水包、小车及钢丝绳简化为二自由度动力学模型,利用Wilson-θ法求解起吊阶段动力学微分方程,得到不同起吊位置及不同起吊速度下的钢丝绳张力响应,发现起升速度越大动载系数越大,规范估计的动载系数有足够的安全裕度。以铁水包表面辐射率折减的方式模拟隔热板的隔热效应,对起重机结构进行温度场分析,得到各起吊工况下的结构温度场,结构中温度最高部位随起吊点位置变化而变化。将温度场作为预定义场对起重机结构进行热力耦合瞬态动力学计算,获取各工况下危险点的动态应力谱,为焊缝疲劳计算做铺垫。(3)结合动力学计算所得的时程应力进行典型焊缝的疲劳评估。采用子模型技术建立冶金起重机主梁跨中下盖板处焊缝细节模型,从不同单元类型,不同单元尺寸及不同建模方式的角度研究焊缝疲劳计算方法(包括表面外推法、厚度线性化法和Dong法)。利用动态应力谱和热点应力集中系数进行焊缝剩余寿命计算。研究表明:通过高阶壳单元建模的焊趾热点应力计算值较为保守,Dong法的单元尺寸敏感性要优于表面外推法和厚度线性化法,在进行冶金起重机焊缝疲劳寿命评估时,可选用Dong法或者单元尺寸较为精细的外推法和厚度线性化法进行热点应力计算。研究发现桥架结构温度场对焊缝剩余寿命有影响,且温度影响随着使用年限的增加而增大。(4)对冶金起重机金属结构安全性评价体系的综合评价方法进行研究。针对双梁冶金起重机金属结构安全性评价体系中权重的计算方法,评价指标层、子系统层及系统层的评价合成方法进行研究。提出将层次分析法和熵权法的权重利用比例因子结合形成既考虑客观分析数据又考虑主观先验知识的综合定权模型,建立了以综合定权模型和模糊综合评判法形成的冶金起重机结构安全性评价算法,并具体给出了评价体系中底层评价指标至结构系统层的计算流程。研究表明:层次分析法确定的权重因子不能反应出焊缝的状态因素,仅仅能体现在系统评价中强度指标的重要性;而熵权法过度的放大了焊缝指标的重要性,忽视其他评价指标的存在。在综合法的权衡下,权重既能体现评价指标的目前状态,也能反映各评价指标属性间的重要性。以综合定权和模糊综合评判法构成安全性评价算法能合理的反映系统状态值。