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        大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法的研究與應(yīng)用

        2015-10-15 20:17:51趙世軍
        科技資訊 2015年20期
        關(guān)鍵詞:靜力當(dāng)量起重機(jī)

        趙世軍

        摘要:隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和工業(yè)化生產(chǎn)的需要,起重機(jī)的起重量逐漸加大,在對起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)和日常使用過程中,如何進(jìn)行起重機(jī)的額載、動載、靜載試驗(yàn),是困擾特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)和起重機(jī)械使用單位的一大難題。山西省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院與太原科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法,將在很大程度上解決這一難題,為降低試驗(yàn)費(fèi)用,提高試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性提供技術(shù)支撐。

        關(guān)鍵詞:大型起重機(jī)降載荷當(dāng)量試驗(yàn)方法

        中圖分類號: U467.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2015)07(b)-0000-00

        1現(xiàn)狀分析

        起重機(jī)靜載試驗(yàn)是起重機(jī)結(jié)構(gòu)承載能力檢測的重要手段,但在對大型橋、門式起重機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)時,受使用場地限制,大噸位試驗(yàn)載荷的加載、準(zhǔn)確控制,載荷及吊具準(zhǔn)備,費(fèi)用高昂,潛在的危險性高等因素使得載荷試驗(yàn)在實(shí)施中存在諸多困難。因此,急需研究起重機(jī)系統(tǒng)載荷與變形的相關(guān)性,提出一種科學(xué)有效的降載當(dāng)量試驗(yàn)方法,能夠由小噸位載荷下的應(yīng)力、位移反映大噸位載荷下的應(yīng)力、位移,提高起重機(jī)載荷試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

        2試驗(yàn)方法的研究成果概述

        (1)建立了考慮非線性效應(yīng)的起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷的計(jì)算模型;

        (2)提出了大型起重機(jī)降載當(dāng)量試驗(yàn)方法,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷映射模型,更加趨近真實(shí);

        (3)提出基于相似理論的大型起重機(jī)降載試驗(yàn)方法,采用應(yīng)力相似比、位移相似比解決傳統(tǒng)具體檢測模型與計(jì)算模型之間存在差異修正時求解力學(xué)分問題的問題。

        (4)提出起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)邊界非線性效應(yīng)受跨度影響,建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)力、位移與載荷、跨度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射模型;

        (5)首次提出采用相似理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法,更加經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的獲得反映真實(shí)的,考慮非線性效應(yīng)影響的應(yīng)力、位移與載荷關(guān)系的降載試驗(yàn)當(dāng)量方法。

        (6)首次提出和完成了達(dá)到國際先進(jìn)水平的大型起重機(jī)降載當(dāng)量實(shí)驗(yàn)方法指南,作為特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范草案,填補(bǔ)國內(nèi)外空白。

        3試驗(yàn)方法的驗(yàn)證及應(yīng)用

        自2012年1月-2014年10月,該院綜合應(yīng)用大型起重機(jī)降載試驗(yàn)方法體系中的多項(xiàng)成果,聯(lián)合課題參加單位太原科技大學(xué)對太原鋼鐵集團(tuán)公司和陽煤化工等企業(yè)的新服役橋式起重機(jī)進(jìn)行了降載當(dāng)量試驗(yàn)工程范例,系統(tǒng)的分析、比較不同降載比例對降載計(jì)算誤差的影響。根據(jù)試驗(yàn)過程總結(jié)試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的影響測試的因素,完善試驗(yàn)流程及試驗(yàn)方案,提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。通過自主開發(fā)的“大型橋式起重機(jī)降載當(dāng)量試驗(yàn)軟件”,對100余臺額定起重量在20~125 t起重機(jī)以10 t為梯次逐步加載至靜載試驗(yàn)要求,進(jìn)行降載當(dāng)量試驗(yàn)檢測,并對降載比例在試驗(yàn)中影響進(jìn)行分析,對降載試驗(yàn)方案完善。

        4基于理論模型的降載計(jì)算方法

        理論模型降載計(jì)算方法主要是,以基于一定的理想假定簡化的理論基礎(chǔ)上建立的參數(shù)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。代表方法是基于有限元的模型修正,即以降載載荷下測試的結(jié)構(gòu)響應(yīng),修正結(jié)構(gòu)模型,使結(jié)構(gòu)計(jì)算模型響應(yīng)與測試響應(yīng)趨于一致,并以修正后模型預(yù)測計(jì)算結(jié)構(gòu)在大載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

        根據(jù)模型修正方法可以依據(jù)不同的準(zhǔn)則進(jìn)行分類。依據(jù)試驗(yàn)加載方式和已知響應(yīng)信息類型的不同,結(jié)構(gòu)有限元模型修正分為基于動力信息(利用頻率、振型等信息)和基于靜力信息(利用位移、應(yīng)變和曲率等信息)的方法。根據(jù)修正對象的不同,有限元模型修正又可分為矩陣型修正和元素型修正兩大類。模型修正算法又可以分為直接算法和迭代算法。具體的模型修正問題可以是以上情況的組合。

        設(shè)靜力載荷作用下,基于原始有限元模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)為 ,其測量值為 。一般情況下,計(jì)算值和測量值間存在一定的偏差, 。當(dāng)測點(diǎn)數(shù)不少于待修正參數(shù)的個數(shù)時,可以通過最小二乘法,求得待修正參數(shù)的修正增量為:

        (Ⅳ-1)

        利用上述兩式,可通過迭代實(shí)現(xiàn)參數(shù)修正,具體步驟如下:

        步驟1:進(jìn)行第k+1次迭代時,利用有限元模型計(jì)算在已知參數(shù) 下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) ,與測量值 比較,計(jì)算響應(yīng)誤差 。步驟2:計(jì)算靈敏度 。步驟3:計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)的增量 。步驟4:修正結(jié)構(gòu)參數(shù) 。步驟5:重復(fù)1~4,直至滿足收斂條件:

        (Ⅳ-2)

        (Ⅳ-3)

        表示向量范數(shù); 和 為判斷計(jì)算是否收斂設(shè)定的相對誤差。

        靜力載荷試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)有限元模型修正原理:利用結(jié)構(gòu)靜力載荷試驗(yàn)的實(shí)測響應(yīng),直接在結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化計(jì)算,不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)有限元模型的參數(shù)(截面特性或彈性模量),使得結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實(shí)測靜力響應(yīng)的差異最小,從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力有限元模型參數(shù)的修正。結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正的結(jié)果是得到一個與當(dāng)前結(jié)構(gòu)“等價”的有限元計(jì)算模型,所謂“等價”指修正后的結(jié)構(gòu)有限元模型在靜力受力-變形關(guān)系上接近于結(jié)構(gòu)靜力才和測試結(jié)果。

        結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正過程按數(shù)學(xué)優(yōu)化概念可表述為:在一定(合理)范圍內(nèi)尋找合適的結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù),使得結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算的靜力響應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)測試的靜力響應(yīng)的差異最小。結(jié)構(gòu)靜力有限元模型修正可轉(zhuǎn)化為對數(shù)學(xué)優(yōu)化問題的求解:

        (Ⅳ-4)

        式中: 為待修正的結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)及; 、 為結(jié)構(gòu)有限元模型參數(shù)集 上、下限(合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍),是優(yōu)化問題的約束條件。 為反映結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)實(shí)測響應(yīng)差異的指標(biāo)函數(shù)向量,是優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)。

        形式、測試載荷工況及測試響應(yīng)信息的不同,目標(biāo)函數(shù) 有多種構(gòu)造形式,通用的形式可表示為:

        (Ⅳ-5)

        式中: 是結(jié)構(gòu)靜力載荷試驗(yàn)的實(shí)測響應(yīng);

        是與 對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng);

        為結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)荷載;

        是單個函數(shù)時,為單目標(biāo)優(yōu)化問題, 是函數(shù)向量集時,為多目標(biāo)優(yōu)化問題。

        轉(zhuǎn)化為標(biāo)量的單目標(biāo)函數(shù)形式:

        (Ⅳ-6)

        式中: 和 為第 個實(shí)測響應(yīng)與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算靜力響應(yīng)。

        5結(jié)語

        (1)通過本方法,可由大型橋式起重機(jī)在降載(小載荷)下的應(yīng)力、位移測試值,預(yù)測計(jì)算靜載荷作用下的應(yīng)力、位移值。

        (2)由降載比例、儀器測試誤差與計(jì)算誤差之間的關(guān)系可以看出,測試載荷的降低,提高了對測試儀器精度的要求。

        (3)該方法對具體實(shí)際大型起重機(jī)載荷試驗(yàn)檢測具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

        因此,該研究方法的提出,不僅適合我國起重機(jī)行業(yè)實(shí)際情況的安全狀況綜合評價方法和研究成果填補(bǔ)了國內(nèi)外空白,具有創(chuàng)新性,而且為特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)和使用單位在對新裝、改造、大修、在用起重機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)時,提供了一個簡便、快捷、實(shí)用的檢驗(yàn)檢測方法。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 王文杰.橋門式起重機(jī)的載荷試驗(yàn)和檢驗(yàn)方法[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2007(S2):63-64.

        [2]楊瑞剛.段治斌.徐格寧.趙廣立.基于相似理論的大型橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全評價試驗(yàn)驗(yàn)證方法[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014(2):94-97.

        [3]張氫.盧耀祖.石來德.起重機(jī)模型試驗(yàn)的相似性分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2000(12)

        :27-29.

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