，

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

鋼閘門吊耳板應(yīng)力測(cè)試方法研究

李欣，郭建斌

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

吊耳板的應(yīng)力檢測(cè)，是閘門啟閉力測(cè)量的常用方法，實(shí)際測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。對(duì)測(cè)量構(gòu)件進(jìn)行ANSYS有限元方法和相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以知道結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過分析表明，應(yīng)力集中是測(cè)量結(jié)果偏差的重要原因。應(yīng)用格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以有效消除應(yīng)力測(cè)點(diǎn)存在的測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大、參照測(cè)點(diǎn)間規(guī)律特征不明顯等異常偏差現(xiàn)象，較好滿足測(cè)試準(zhǔn)確性的工程需要。

鋼閘門吊耳； ANSYS有限元分析；應(yīng)力集中；格拉布斯準(zhǔn)則

0 引言

鋼閘門吊耳板是閘門啟閉的主要受力部位。工程中，通過吊耳板的應(yīng)力檢測(cè)，是獲取閘門啟閉力狀況的有效測(cè)量技術(shù)。通常采用重復(fù)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)、相互校驗(yàn)來(lái)保障檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性[1-2]，但是受限于應(yīng)變計(jì)測(cè)量原理和構(gòu)件受力的復(fù)雜性[2]，這種措施效果并不好，部分應(yīng)力測(cè)量成果不僅重復(fù)性不好，而且參照測(cè)點(diǎn)間規(guī)律特征也不明顯。因此，片面增加重復(fù)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，不能支撐啟閉力檢測(cè)成果的足夠公信力。在不增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量的前提下，對(duì)已經(jīng)獲取的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析處理，剔除異常數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中已經(jīng)有了很廣泛的應(yīng)用[3]，包括奈爾準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則等方法，在實(shí)際的剔除過程中，需要根據(jù)不同的樣本數(shù)據(jù)和精度要求選擇合適的剔除異常值的方法[4-5]。 長(zhǎng)期以來(lái)，很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)應(yīng)力檢測(cè)影響嚴(yán)重[6-7]。近年來(lái)，應(yīng)用ANSYS系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)分析提供了很好的支撐[8-9]，這種基于計(jì)算力學(xué)手段的仿真分析方法，較好再現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中區(qū)域[10-11]，從而為結(jié)構(gòu)應(yīng)力的科學(xué)檢測(cè)提供了甄選技術(shù)手段。通過ANSYS有限元方法獲取閘門吊耳的受載應(yīng)力情況，甄選出對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)存在重大影響的應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的逐點(diǎn)剔除方法，有效消除應(yīng)力測(cè)點(diǎn)存在的異常偏差現(xiàn)象，較好地保障檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

1 異常數(shù)據(jù)剔除方法

在鋼閘門吊板應(yīng)力測(cè)試過程中，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，在數(shù)據(jù)采集測(cè)量過程中會(huì)出現(xiàn)概率非常小卻干擾性特別強(qiáng)的采集數(shù)據(jù)，這些干擾性很強(qiáng)的采集數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量的應(yīng)力結(jié)果分析有很大的影響，在數(shù)據(jù)分析的范疇內(nèi)稱之為測(cè)量的異常值，需要用科學(xué)的理論方法將測(cè)量的異常值剔除出去。

異常值剔除準(zhǔn)則的多種方法，奈爾準(zhǔn)則是在標(biāo)準(zhǔn)差已知的情況下應(yīng)用很廣，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)差未知的情況，通常采用格拉布斯和狄克遜準(zhǔn)則，通常而言，格拉布斯的精確度更高一些。鋼閘門吊板的應(yīng)力測(cè)試中，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差未知的一組數(shù)據(jù)，為了能夠有更高的精度，宜采用格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行異常值剔除。

以下是格拉布斯準(zhǔn)則基本理論與算法。

對(duì)測(cè)量結(jié)果值按大小排成順序統(tǒng)計(jì)量為:

x(i),x(1)≤x(2)≤…≤x(n)

(1)

格拉布斯構(gòu)造最大值和最小值統(tǒng)計(jì)量分別為：

(2)

(3)

格拉布斯準(zhǔn)則的臨界值如表1所示。

表1 格拉布斯準(zhǔn)則的臨界值

其計(jì)算步驟如下：

a.對(duì)于測(cè)量數(shù)列，計(jì)算g和g′。

b.根據(jù)顯著性水平α，由表3查到臨界值G(n，α)，與G′(n，α),當(dāng)g>G(n，α)(或g′>G′(n，α)),剔除相應(yīng)的x值。

c.如果有異常值，重新對(duì)數(shù)列進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算沒有異常值。

由于在計(jì)算過程中，如果每次進(jìn)行手工計(jì)算，計(jì)算過程很大。因此,采用Matlab對(duì)格拉布斯準(zhǔn)則進(jìn)行編程，在數(shù)據(jù)剔除過程中簡(jiǎn)單方便，迅速剔除測(cè)量的異常值。

2 鋼閘門吊板受力測(cè)量及受力分析

2.1 鋼閘門吊板受力測(cè)量

由于閘門在啟閉過程中的啟閉力是不斷變化的，在啟閉力檢測(cè)應(yīng)對(duì)啟閉全過程的啟閉力進(jìn)行采集，以決定閘門的實(shí)測(cè)最大啟閉力?？紤]現(xiàn)場(chǎng)條件，測(cè)點(diǎn)布置在啟閉機(jī)定滑輪吊板處，檢測(cè)數(shù)據(jù)為吊板應(yīng)變，因而為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量啟閉過程中的啟閉力變化，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性就需要有很強(qiáng)的保障。啟閉力的檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 啟閉力檢測(cè)

電阻應(yīng)變計(jì)布置在吊板上，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為吊板的拉伸應(yīng)變值，測(cè)點(diǎn)的布置，由于吊板面較大，有肋面上有4個(gè)測(cè)點(diǎn)，均勻分布在吊板上，沒有肋面上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)面總共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)吊板受力進(jìn)行測(cè)量，其布置示意圖如圖2所示。

應(yīng)變計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)是應(yīng)變，在計(jì)算啟閉力時(shí)，需要將應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，由于應(yīng)變值相對(duì)應(yīng)力值要小很多，很小的應(yīng)變值波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力值巨大的波動(dòng)。測(cè)量值誤差在實(shí)際測(cè)量工程中是不可避免的，為了能夠得到更為準(zhǔn)確的測(cè)量值，需要對(duì)實(shí)際測(cè)量過程中的異常值進(jìn)行剔除處理。對(duì)于吊板應(yīng)變測(cè)量來(lái)說，測(cè)量異常值產(chǎn)生的原因，數(shù)據(jù)具體剔除的方法是整個(gè)數(shù)據(jù)處理中的重點(diǎn)。

圖2 應(yīng)變計(jì)布置位置

2.2 鋼閘門吊板的受力分析

對(duì)于受載構(gòu)件來(lái)說，應(yīng)力的分布狀況在現(xiàn)在的工程應(yīng)用中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，構(gòu)件的應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在受力構(gòu)件中，在吊耳板應(yīng)力測(cè)量過程中，如果應(yīng)變計(jì)所貼位置正好位于應(yīng)力集中部位，其測(cè)量的結(jié)果就具有很強(qiáng)的干擾性，需要將這些數(shù)據(jù)予以剔除。通過對(duì)受力構(gòu)件的有限元分析和數(shù)據(jù)剔除理論的應(yīng)用來(lái)優(yōu)化吊耳板的測(cè)力情況。

2.2.1 有限元模型

通過SolidWorks對(duì)定滑輪處吊板進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入到ANSYS有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載、計(jì)算及分析，為提高計(jì)算可靠度，先進(jìn)行一般的網(wǎng)格劃分，并對(duì)關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行局部加密[12]，其中，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)162 374，單元88 561個(gè),如圖3所示。在有限元分析過程中，選擇吊板材料為45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳鋼，其密度為7 850kg/m3，彈性模量為206 GP。

圖3 框架計(jì)算網(wǎng)格

有限元計(jì)算過程，按照?qǐng)D1中的受力情況對(duì)吊板添加約束，在吊板中，左側(cè)和混凝土連接部分為約束部位。閘門啟閉過程中，受力是定滑輪處產(chǎn)生拉力，在模型中，受力是均勻加載在圓柱面處，受力載荷是啟閉機(jī)受拉載荷，大小330kN，為驗(yàn)證吊板在受載情況下的應(yīng)變值分布。

2.2.2 有限元結(jié)果分析

應(yīng)變圖如圖4所示，吊板在受載荷條件下，應(yīng)變的分布規(guī)律有一定的規(guī)律性。首先，在整個(gè)吊板的應(yīng)變分布中都是在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，無(wú)論是在有肋面還是無(wú)筋面，應(yīng)變的范圍分布是一致的。因此，可以對(duì)在這些面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析；其次，無(wú)論是在有肋還是無(wú)肋面，都出現(xiàn)的不同程度上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同的表面情況，應(yīng)力集中的部位也不盡相同，通過比較測(cè)點(diǎn)的布置大致位置，并沒有完全躲開應(yīng)力集中區(qū)域(或者說離應(yīng)力集中區(qū)域很近)。因此,在這些靠近應(yīng)力集中部位的測(cè)量值，就會(huì)出現(xiàn)我們所預(yù)想的那些異常值，需要用剔除方法將異常值剔除；最后，應(yīng)力分析的結(jié)果顯示，應(yīng)力集中現(xiàn)象在工程中的影響很大，在工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮到應(yīng)力集中的影響，以減輕其對(duì)受力構(gòu)架本身以及整個(gè)工程的影響。

圖4 應(yīng)變圖

通過吊板的應(yīng)力分析，應(yīng)力集中現(xiàn)象是會(huì)應(yīng)變計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生影響，遇到影響特別大的測(cè)量值，應(yīng)當(dāng)采用合理的方法將異常值剔除。

3 異常值處理驗(yàn)證

對(duì)吊耳板測(cè)力過程，取6#閘門吊耳板3組數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值處理。其值如表2所示。

根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則，取顯著性水平α為0.05，按照剔除步驟，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理，對(duì)水位為60.02 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，剔除了第6、第9和第10個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響的數(shù)據(jù)。同樣地對(duì)60.05 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，剔除了第1和第10個(gè)數(shù)據(jù)；對(duì)于60.08 m的數(shù)據(jù)剔除了第11和第12個(gè)數(shù)據(jù)。剔除前后整體數(shù)據(jù)的各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值如表3所示。

表2 6#閘門測(cè)量應(yīng)變值

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)比較

由表3中可以看出，剔除后比剔除前數(shù)據(jù)更合理。剔除后的均值波動(dòng)性更小一些，更加接近與實(shí)際的測(cè)量過程。對(duì)于整個(gè)測(cè)量過程，采用此方法剔除異常數(shù)據(jù)，得到的應(yīng)變更加接近于實(shí)際情況，滿足工程應(yīng)用的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)于異常數(shù)據(jù)的剔除的實(shí)現(xiàn)有很好的效果，采用格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量結(jié)果的處理，數(shù)據(jù)分布情況更為合理可信，滿足工程應(yīng)用要求。啟閉力監(jiān)測(cè)過程中，采用貼應(yīng)變計(jì)的方法，由于結(jié)構(gòu)受力過程中應(yīng)力集中的影響，測(cè)量的某些值可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)的情況，經(jīng)過有限元分析結(jié)構(gòu)的受載狀態(tài)，由于應(yīng)變計(jì)布置在應(yīng)力集中附近導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，需要對(duì)這些測(cè)量不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

[1] 劉允芳,劉元坤.圍壓試驗(yàn)在空心包體式應(yīng)變計(jì)地應(yīng)力測(cè)量中的作用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(23):3932-3937.

[2] 尹福炎,王成林.應(yīng)變膠粘劑對(duì)應(yīng)變計(jì)和傳感器性能的影響[J].衡器, 2004, 33(2):13-22.

[3] 遲慶璽，司錫才.基于格拉布斯準(zhǔn)則的雷達(dá)信號(hào)分選方法探討[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006,19(6)：2625-2629.

[4] 王中宇，劉志敏,夏新濤，等.測(cè)量誤差與不確定度評(píng)定[M].北京:科學(xué)出版社，2008.

[5] 盧元磊,何佳洲,安瑾,等.幾種野值剔除準(zhǔn)則在目標(biāo)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].指揮控制與仿真，2011,33(4):98-102.

[6] 朱曉東，覃啟東．基于ANSYS平臺(tái)含圓孔薄板的應(yīng)力集中分析[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版) ，2004，24(5)：51-53.

[7] Pehan S,Hellen T K,Flasker J,etc.Numerical methods for determining stress intensity factors as crack depth in gear tooth roots[J].International Journal of Fatigue,1997(10)：125-127.

[8] 李浩,蔣凱輝,王立軍.基于AUTODESK INVENTOR 和 ANSYSWORKBENCH 的水工閘門底座計(jì)算分析[J].水運(yùn)工程,2008(6):46-50.

[9] 朱耿軍.基于ANSYS 軟件平臺(tái)的弧形閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南京:南京水利科學(xué)研究院,2005.

[10] Reifsnider K,Case S,Duthoit J.The mechanics of composite strength evolution[J].Composites Science and Technology,2000，60(12)：2539-2546.

[11] 劉力,李明萬(wàn),賈糧棉.基于 ANSYS 的有限元分析在工程中的應(yīng)用[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(5):31-34.

[12] 宋少云，尹芳．有限元網(wǎng)格劃分中的圣維南原理及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(8)：63-65.

Analysis of the Steel Gate Lug Plate Dynamometer

LIXin,GUOJianbin

(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

Analysis the lug plate’s load stress is an effective measurement techniques to get the hoisting force of the lug plate, because of some reasons in the actual measurement has inaccurate phenomenon.By ANSYS finite element method and the analysis of test data measuring point we know that the plate have stress concentration.By the analysis showed that stress concentration is an important reason for the deviation of the measurement results.The test results show that Grubbs can meet a good results for the selection of the stress detection point.In this way,we can effectively eliminate stress test data exist large fluctuations and the reference point between the measured characteristics laws and other abnormal deviation phenomenon,better meet the test accuracy engineering needs.

steel gate lug;ANSYS finite element analysis;stress concentration;Grubbs

2014-09-01

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金(BY2012007);江蘇省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2009041)

TV34

A

1001-2257(2014)11-0042-04

李欣(1990-)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗麢C(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；郭建斌(1972-)，男，江西鷹潭人，副教授，研究方向?yàn)樗麢C(jī)械安全。