裴 瑋，丁克勤，喬 松，黃 凱

(1.中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051;2.中國特種設備檢測研究院，北京100013;3.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇南京210003)

0 引言

起重機應用十分廣泛，隨著工程強度與難度的提高，起重機結(jié)構日趨向大型化、復雜化發(fā)展。常規(guī)的起重機械安全保障手段主要依賴于定檢、監(jiān)檢及日常維護，無法對起重機運行情況做到實時掌握，缺乏突發(fā)事故的預防機制;而起重機械工況的多樣性，增加了檢測成本和難度，導致檢測質(zhì)量的下降。起重機健康監(jiān)測技術，利用現(xiàn)代傳感技術，對起重機健康狀況進行長期的實時監(jiān)測與異常報警，力求實時掌握起重機健康狀況，減少起重機定期檢測的次數(shù)，降低維修養(yǎng)護成本，是起重機安全保證的重要手段。

合理選擇傳感器的布設位置是保證結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)運行質(zhì)量的前提，直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性以及起重機安全評價的正確性。本文提出了一種基于虛擬仿真與有限元分析法對起重機進行傳感器布點位置選擇的方法，并以L型單主梁吊鉤門式起重機為例，說明該方法的實現(xiàn)過程。

1 基于虛擬仿真技術的傳感器布設思路

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段在選擇傳感器布設位置時，往往根據(jù)經(jīng)驗，從靜態(tài)角度分析［1，2］，對于動載分析僅利用動載系數(shù)進行簡化，嚴重制約了監(jiān)測目的的合理性和準確性。這種方法僅考慮到起重機設計強度的要求，忽略了起重機在實際應用中工況的復雜性，及實際工況下應力集中發(fā)生了轉(zhuǎn)移的情況。目前相關專家結(jié)合起重機型式試驗對基于靜態(tài)分析的傳感器布設方法提出改進，通過型式試驗模擬一些典型工況，考查起重機在工作狀態(tài)下的應力分布情況。但是要找到應力集中位置往往需要對一個工況進行多次試驗，反復比較，并且型式試驗模擬的工況有限，與起重機的實際工況差距較大，更不能反映一些極端工況的影響。該方法且耗時，耗材，試驗成本，制約了該方法的推廣。

基于虛擬仿真技術確定起重機傳感器布設方法的思路如下:

(1)利用虛擬仿真技術建立起重機虛擬樣機［3］;

(2)再根據(jù)仿真結(jié)果得到相關結(jié)構相互作用力的時間歷程曲線;

(3)以時間歷程曲線數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合有限元分析軟件，計算出典型工況下的應力分布狀態(tài)及時間歷程曲線;

(4)根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定應力較大的位置作為傳感器布設點。

下面利用該方法，為1臺L型門式起重機提出了一套傳感器布設方法的解決方案，通過靜態(tài)試驗驗證，認為結(jié)果合理、可靠。

2 L型門式起重機的傳感器布設設計

2.1 L型門式起重機虛擬樣機建模及典型工況模擬

L型門式起重機結(jié)構如圖1所示。樣機跨度26 m，起升高度12 m，懸臂長10.5 m，主梁兩端比標準加長0.5 m，外伸長度為10.5 m，采用剛性腿設計。

根據(jù)對起重機結(jié)構分析，建立虛擬樣機模型如圖2。該L型起重機兩個支腿分別與大車和主梁固支連接，形成框架結(jié)構。大車通過8個車輪與軌道接觸，在大車軌道的端部設置有端部擋塊。

起重機主要機構虛擬樣機建模的準確性，對工況的模擬、仿真計算結(jié)果具有決定性的作用。該L型門式起重機的起升機構主要由小車實現(xiàn)，吊重產(chǎn)生的動載沖擊通過小車車輪作用在起重機主梁上，進而影響到整機的應力分布狀態(tài)。該起重機采用的是二支點垂直反滾輪式小車，小車中安裝的有反滾輪、安全反鉤、水平輪組和安全鉤，由于起吊重物在主梁的一側(cè)，重物將對小車產(chǎn)生一個傾翻力矩，因而設置了垂直反滾輪產(chǎn)生抗傾翻力矩使小車保持平衡。模擬樣機建立時［4］，為保證求解精度，小車樣機完全按照實物構造，真實的反應了小車對起重機主梁的作用情況。

圖1 32噸L型單主梁吊鉤門式起重機

圖2 L型單主梁龍門起重機

該L型門式起重機工作在一種典型工況:無風，滿載32噸，大車靜止，小車位于跨中，起升吊重從靜止直接加速(恒定加速度 a=0.6 m/s2)到額定速度后，以額定速度(0.127 m/s)橫向運動到懸臂端。完成虛擬樣機模型后，運行該種工況，計算小車對主梁作用力的時間歷程曲線。

選取小車車輪、和反滾輪對主梁作用力的時間歷程曲線。由于動載的作用，小車對主梁的沖擊力變化很大，常規(guī)動載系數(shù)法已經(jīng)不能反映受力情況。小車車輪的垂直方向的最大反力為4.319 9×105N，小車車輪2的垂直方向的最大反力為4.310 8×105N。反滾輪與軌道的接觸力也是動態(tài)變化的，如圖4(b)所示。反滾輪垂直方向的最大反力為－3.55×105N(負號表示方向，作用在反滾輪上的接觸力方向向下)。

2.2 基于有限元方法的整機應力分布狀態(tài)計算［5］

由于起重機為一個結(jié)構復雜的彈性系統(tǒng)，常規(guī)計算方法往往采用了簡化模型，比如將鐵板焊接的箱型梁簡化為一簡單梁。這樣固然提供了計算效率，但不能反映結(jié)構實際應力分布情況。借助有限元方法能夠極大提高求解精度，并且不降低求解效率。

為真實反映起重機的結(jié)構性能，有限元的模型采用了板殼單元，手工方法將主要構件劃分網(wǎng)格，盡量減少奇異單元的數(shù)量，共計劃分了約230萬個節(jié)點。根據(jù)主梁的實際受力情況，將虛擬仿真的計算結(jié)果施加在主梁上，如圖3所示。

由于虛擬仿真的計算結(jié)果為主梁受力的時間歷程曲線，因此采用瞬態(tài)分析方法計算整機結(jié)構的應力狀態(tài)變化情況。由于瞬態(tài)分析需要大量中間載荷子步結(jié)果，因此將載荷轉(zhuǎn)化為表載荷后，需要通過線性插值計算表載荷中已經(jīng)對應元素之間的任意值。在求解器中將表載荷施加在模型的受力節(jié)點上，只需通過一個載荷步就可以計算主梁受隨時間變化力響應的全過程［6］。

圖3 L型起重機有限元模型及受力情況

選取不同時刻上的兩個起重機應力云圖，有限元分析結(jié)果表明:在小車起吊的過程中最大應力出現(xiàn)在主梁中間的上部小車車輪的作用部位，以及主梁與支腿的結(jié)構部位，應力分布如圖 4(a)所示，最大 MISES當量應力值 σ1max=126 MPa;小車在主梁上行駛的過程中，主梁應力分布不斷變化，圖4(b)顯示了小車運行到懸臂梁位置時的應力分布云圖。從圖中可以看出主梁應力集中點的位置。

2.3 傳感器布點設計及試驗分析

根據(jù)上述起重機在典型工況下應力分布計算結(jié)果分析，除常規(guī)測試中比較關心的跨中外，分析中出現(xiàn)應力集中的位置均布設了傳感器，并根據(jù)計算結(jié)果確定了布片方向。其中8個典型傳感器布設點分布和圖5所示，并用字母標注。B2、C兩測點傳感器沿構件縱向成45°角粘貼，其它測點的傳感器均沿構件縱向方向粘貼。

按照該工況進行應力測試，各傳感器的實際測量值和仿真結(jié)果如表1所示。

從應力測試和仿真結(jié)果比對數(shù)據(jù)可以看到，測點的仿真應力值σf相對于測試應力值σc的偏差最大的為E點，為16.1%，最接近的C點為0%。仿真結(jié)果和應力測試結(jié)果偏差除E點偏大之外，其他各測點的結(jié)果偏差均在5%以內(nèi)。該偏差的產(chǎn)生可能來自于模型的簡化、載荷的誤差、約束條件的差異、應力測試的測量誤差等等方面。

圖4 典型工況下起重機主梁應力云圖

圖5 測點布置示意圖

表1 應力測試和仿真結(jié)果比對

3 結(jié)論

本文借助虛擬仿真技術，提出一種選擇傳感器布點位置的新方法。該方法能夠在計算機環(huán)境下，利用虛擬樣機對結(jié)構經(jīng)行動態(tài)載荷受力分析，彌補了靜態(tài)分析的不足，與型式試驗方法相比，不僅減少試驗成本，而且更具有靈活性，突破了工況種類及極端工況的限制。

該方法的應用使得傳感器所得數(shù)據(jù)更真實地反映了起重機結(jié)構情況，為起重機安全監(jiān)測及評價提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。該方法的推廣將為起重機健康監(jiān)測的發(fā)展提供重要的技術支持。

［1］周志飛.門式起重機檢測中應廣泛采用無損檢測技術［J］.裝卸管理與設備，2003，1:30 －32.

［2］吳彥，沈功田，葛森.起重機械無損檢測技術.無損檢測［J］.2006，28(7):367 －372.

［3］喻艷.虛擬仿真技術在港口機械動力學分析中的應用［D］.同濟大學［碩士論文］，2006.

［4］郭衛(wèi)東.虛似樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［5］丁克勤.大型起重機械運行狀態(tài)虛擬仿真與動力學評價方法應用研究［R］.“十一五”支撐計劃課題(2006BAK02B04)研究報告.中國特種設備檢測研究院，2009.

［6］莫維尼.有限元分析——ANSYS理論與應用［M］.王崧等譯.北京:電子工程出版社，2008.