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桥式起重机载荷谱获取方法及疲劳剩余寿命评估研究

作　者: 王爱红
导　师: 徐格宁; 杨萍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 桥式起重机应力谱疲劳寿命评估可靠性分析敏感度分析
分类号: TH215
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

起重机械是国民经济建设中不可缺少的特种设备,其运行的安全性和经济性是公众和政府的关注点。起重机的设计能力与实际使用的差异性,导致起重机使用寿命与设计寿命的差异。因此,有效可靠地定量评估和预测起重机的剩余寿命,在安全期内进行维护和补强,发挥起重机的经济效益,降低更新置换成本,同时确保安全可靠运行,是国内外所关注和亟待解决的重大命题。疲劳核算点应力谱的获取和编制,是对桥式起重机进行疲劳可靠性分析和寿命评估的基础。通过样机现场实测,可以获得高置信度的应力谱,但对不同使用工况、不同类型的起重机,采用现场试验测试方法获取应力谱,周期长、成本高、难度大。仿真模拟速度快、成本低、但与实际工况存在差异,置信度不高。为解决此关键问题,将探索一种“扬长避短+组合策略”获取桥式起重机应力谱的新方法。首先通过有限元分析以及根据真实金属结构截面按1：2比例制作的模型梁的试验结果,确定桥式起重机金属结构疲劳寿命评估与可靠性分析的核算点。然后选取起重机装配车间一台75t/28.5m桥式起重机作为分析样机,在危险截面贴应变片进行一个工作周期的实际应力-时间历程测试。同时通过人工或仪器,记录影响疲劳核算点应力谱的每一实际起升循环的起升载荷、起升和卸载位置及起重小车是否通过主梁跨中等关键参数。对这些关键参数进行统计分析拟合优度检验,得到最佳刻划关键参数的统计分布模型。同时通过对一段时间起升次数分析,确定日平均起升次数。然后基于关键参数的概率分析模型,采用蒙特卡洛方法中的拉丁超立方抽样法(LHS)模拟生成一个检验周期内起升载荷大小、起升和卸载位置及起重小车是否通过主梁跨中四个关键参数的模拟随机数。其次借助于Matlab的Simulink仿真软件建立桥式起重机仿真模型。为了验证仿真模型的精度,首先比对6个典型起升载荷位于跨中时的疲劳核算点试验和仿真应力数据,其次比对具有相同起升载荷、起升和卸载位置的试验和仿真应力-时间历程。通过对比误差均在可信范围内,表明可以采用仿真模型模拟起重机工作过程应力-时间历程。然后利用生成的检验周期内的关键参数模拟随机数,通过仿真模型进行起吊循环仿真,获得疲劳核算点的仿真应力-时间历程,采用自编雨流计数程序,对仿真应力-时间历程数据进行等值数压缩、峰谷值检测、无效幅值去除、双参数雨流计数的数据压缩处理,得到检验周期内二维仿真应力谱。同时对一个工作周期的试验应力-时间历程数据采用相同的处理,得到二维试验应力谱。为疲劳剩余寿命评估及可靠性分析提供基础数据。提出对在役和新品桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命的评估方法与步骤。根据评估前关键部件金属结构的无损探伤结果和受载情况,将桥式起重机寿命评估分为有限寿命和无限寿命,根据不同情况采用不同的评定准则。因为起重机金属结构为焊接结构,即使焊接质量满足相关标准规定,焊缝表面和内部仍然存在一定数量的肉眼看不到,但不容忽视的初始缺陷,且这些缺陷技术上可测到,所以重点提出了有裂纹金属结构疲劳剩余寿命评估方法。利用断裂力学和损伤容限理论,建立有裂纹金属结构疲劳剩余寿命估算和检测周期内安全性评定的数学模型,并且探讨起重机金属结构疲劳剩余寿命估算中关键参数的取值。起重机金属结构所受应力为随机应力,即使经过雨流计数获得应力谱也不能运用建立的数学模型进行寿命估算和可靠性分析,因此提出当量应力法、Miner理论法和循环续循环计算三种方法处理随机应力或应力谱。根据起重机工作特点,基于断裂力学和可靠性理论,建立桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命可靠性随机过程安全余量方程,并且研究确定每一检测时间关节点安全余量方程中各关键参数分布及其分布参数取值。针对安全余量方程高度非线性且失效概率很小的特点,提出基于Monte Carlo法的改进的数字模拟法一重要抽样法来进行可靠性分析估算。为了构造重要抽样函数采用多约束非线性优化方法—逐步二次规划(SQP)方法寻找设计点,运用试验应力谱和仿真应力谱,针对金属结构U6和U7两种设计寿命,对样机50年的25个检测时间关节点进行疲劳剩余寿命可靠性分析。为了了解影响桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命可靠性的关键参数中哪些分布参数对可靠性影响大,比较敏感,对疲劳剩余寿命可靠性进行关键参数分布参数的敏感度分析。最后对工作六年的样机金属结构进行疲劳剩余寿命可靠性敏感度分析。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-18
符号注释表  18-23
第1章绪论  23-34
  1.1 研究背景及意义  23-26
    1.1.1 研究背景  23-24
    1.1.2 研究意义  24-26
  1.2 国内外现状  26-31
    1.2.1 载荷谱研究现状  26-27
    1.2.2 随机应力历程处理方法研究现状  27-28
    1.2.3 参数分布拟合及其检验研究现状  28
    1.2.4 疲劳寿命评估研究现状  28-31
  1.3 课题来源  31-32
  1.4 主要研究内容  32-34
第2章桥式起重机疲劳核算点试验应力谱获取  34-64
  2.1 选取样机及测试点  34-48
    2.1.1 样机选取  34
    2.1.2 疲劳核算点位置确定  34-48
    2.1.3 样机疲劳测试点位置确定  48
  2.2 应力谱试验  48-51
    2.2.1 试验目的  48-49
    2.2.2 应力测试系统组成  49-50
    2.2.3 测试步骤  50-51
    2.2.4 数据预处理  51
  2.3 数据处理  51-62
    2.3.1 数据压缩  52-54
    2.3.2 雨流计数  54-57
    2.3.3 获得任意级别二维应力谱  57-58
    2.3.4 数据处理程序流程图  58-61
    2.3.5 雨流计数程序  61-62
  2.4 疲劳核算点试验应力-时间历程  62-63
  2.5 本章小结  63-64
第3章桥式起重机应力谱关键参数获取及数据处理  64-88
  3.1 影响疲劳核算点应力谱的关键参数  64-65
  3.2 关键参数的人工获取  65-67
    3.2.1 起升载荷的获取  65-66
    3.2.2 起升卸载位置获取  66-67
    3.2.3 小车是否过中点获取  67
  3.3 关键参数自动获取  67-73
    3.3.1 起升载荷位置测量系统  68-69
    3.3.2 起升载荷大小测量系统  69
    3.3.3 应力谱关键参数数据的采集  69-73
  3.4 关键参数的数据处理  73-81
    3.4.1 分布拟合理论  73-77
    3.4.2 拟合优度检验理论  77-80
    3.4.3 获得关键参数分布模型  80-81
  3.5 计算实例  81-87
    3.5.1 样机工作特点及采集数据分析  81-83
    3.5.2 样机关键参数采样数据的处理  83-87
  3.6 本章小结  87-88
第4章桥式起重机金属结构疲劳核算点应力-时间历程仿真  88-107
  4.1 基于SIMULINK的疲劳核算点应力-时间历程仿真  89-99
    4.1.1 起升过程动态仿真  90-97
    4.1.2 小车运行过程仿真  97-98
    4.1.3 起升机构卸载过程仿真  98-99
    4.1.4 无吊重过程动态仿真  99
  4.2 桥式起重机关键参数的蒙特卡洛法仿真  99-101
    4.2.1 直接Monte Carlo抽样法  100
    4.2.2 拉丁超立方抽样法  100-101
  4.3 仿真处理  101-102
    4.3.1 蒙特卡洛随机数的处理  101-102
    4.3.2 起升循环各过程的控制  102
  4.4 仿真计算  102-106
    4.4.1 一个起升循环的仿真  103-104
    4.4.2 一段时间起升循环动态仿真  104-105
    4.4.3 监测周期内起升循环的仿真  105-106
  4.5 本章结论  106-107
第5章桥式起重机疲劳剩余寿命估算  107-133
  5.1 桥式起重机疲劳剩余寿命评估方法和步骤  107-108
  5.2 无限寿命校核  108-109
    5.2.1 无裂纹构件的无限寿命校核  108-109
    5.2.2 有裂纹构件的无限寿命校核  109
  5.3 有限寿命评估  109-128
    5.3.1 金属结构名义应力疲劳剩余寿命评估  109-114
    5.3.2 金属结构断裂力学-损伤容限疲劳剩余寿命评估  114-128
  5.4 桥式起重机安全级别的划分  128-131
  5.5 本章结论  131-133
第6章桥式起重机疲劳剩余寿命可靠性和可靠性敏感度分析  133-151
  6.1 金属结构疲劳剩余寿命安全余量方程  133-136
    6.1.1 疲劳剩余寿命随机过程离散化  133-134
    6.1.2 疲劳剩余寿命可靠性分析中关键参数分布及其分布参数取值  134
    6.1.3 设计寿命分布及其分布参数确定  134-136
    6.1.4 疲劳剩余寿命安全余量方程  136
  6.2 基于重要抽样法的桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命可靠性分析  136-144
    6.2.1 重要抽样法失效概率计算公式  137
    6.2.2 重要抽样法失效概率估计值的收敛性分析  137-138
    6.2.3 基于重要抽样法失效概率估计步骤  138
    6.2.4 样机金属结构疲劳剩余寿命可靠性分析  138-144
  6.3 基于重要抽样法的疲劳剩余寿命可靠性敏感度分析  144-149
    6.3.1 可靠性敏感度概念  144
    6.3.2 重要抽样法可靠性敏感度计算公式  144-145
    6.3.3 重要抽样法可靠性敏感度估计值的收敛性分析  145-146
    6.3.4 重要抽样法可靠性敏感性分析步骤  146
    6.3.5 样机金属结构疲劳剩余寿命可靠性敏感度分析  146-149
  6.4 本章结论  149-151
结论  151-154
参考文献  154-164
致谢  164-165
附录A (攻读博士期间发表的学术论文目录)  165-166

桥式起重机载荷谱获取方法及疲劳剩余寿命评估研究

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