大型起重机降载荷当量试验方法的研究与应用

2015-10-15赵世军

科技资讯 2015年20期

赵世军

摘要：随着经济社会的发展和工业化生产的需要，起重机的起重量逐渐加大，在对起重机进行监督检验和日常使用过程中，如何进行起重机的额载、动载、静载试验，是困扰特种设备检验检测机构和起重机械使用单位的一大难题。山西省特种设备检验研究院与太原科技大学联合研发的大型起重机降载荷当量试验方法，将在很大程度上解决这一难题，为降低试验费用，提高试验的经济性和安全性提供技术支撑。

关键词：大型起重机降载荷当量试验方法

中图分类号： U467.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1现状分析

起重机静载试验是起重机结构承载能力检测的重要手段，但在对大型桥、门式起重机进行载荷试验时，受使用场地限制，大吨位试验载荷的加载、准确控制，载荷及吊具准备，费用高昂，潜在的危险性高等因素使得载荷试验在实施中存在诸多困难。因此，急需研究起重机系统载荷与变形的相关性，提出一种科学有效的降载当量试验方法，能够由小吨位载荷下的应力、位移反映大吨位载荷下的应力、位移，提高起重机载荷试验的经济性和安全性。

2试验方法的研究成果概述

（1）建立了考虑非线性效应的起重机结构系统应力、位移与载荷的计算模型；

（2）提出了大型起重机降载当量试验方法，采用BP神经网络建立起重机结构系统应力、位移与载荷映射模型，更加趋近真实；

（3）提出基于相似理论的大型起重机降载试验方法，采用应力相似比、位移相似比解决传统具体检测模型与计算模型之间存在差异修正时求解力学分问题的问题。

（4）提出起重机结构系统边界非线性效应受跨度影响，建立起重机结构系统应力、位移与载荷、跨度的神经网络映射模型；

（5）首次提出采用相似理论和神经网络结合的方法，更加经济、准确的获得反映真实的，考虑非线性效应影响的应力、位移与载荷关系的降载试验当量方法。

（6）首次提出和完成了达到国际先进水平的大型起重机降载当量实验方法指南，作为特种设备安全技术规范草案，填补国内外空白。

3试验方法的验证及应用

自2012年1月-2014年10月，该院综合应用大型起重机降载试验方法体系中的多项成果，联合课题参加单位太原科技大学对太原钢铁集团公司和阳煤化工等企业的新服役桥式起重机进行了降载当量试验工程范例，系统的分析、比较不同降载比例对降载计算误差的影响。根据试验过程总结试验中可能出现的影响测试的因素，完善试验流程及试验方案，提供了科学依据和技术指导。通过自主开发的“大型桥式起重机降载当量试验软件”，对100余台额定起重量在20～125 t起重机以10 t为梯次逐步加载至静载试验要求，进行降载当量试验检测，并对降载比例在试验中影响进行分析，对降载试验方案完善。

4基于理论模型的降载计算方法

理论模型降载计算方法主要是，以基于一定的理想假定简化的理论基础上建立的参数模型为基础进行计算的。代表方法是基于有限元的模型修正，即以降载载荷下测试的结构响应，修正结构模型，使结构计算模型响应与测试响应趋于一致，并以修正后模型预测计算结构在大载荷下的结构响应。

根据模型修正方法可以依据不同的准则进行分类。依据试验加载方式和已知响应信息类型的不同，结构有限元模型修正分为基于动力信息（利用频率、振型等信息）和基于静力信息（利用位移、应变和曲率等信息）的方法。根据修正对象的不同，有限元模型修正又可分为矩阵型修正和元素型修正两大类。模型修正算法又可以分为直接算法和迭代算法。具体的模型修正问题可以是以上情况的组合。

设静力载荷作用下，基于原始有限元模型计算的结构弹塑性响应为，其测量值为。一般情况下，计算值和测量值间存在一定的偏差，。当测点数不少于待修正参数的个数时，可以通过最小二乘法，求得待修正参数的修正增量为：

（Ⅳ-1）

利用上述两式，可通过迭代实现参数修正，具体步骤如下：

步骤1：进行第k+1次迭代时，利用有限元模型计算在已知参数下的结构响应，与测量值比较，计算响应误差。步骤2：计算灵敏度。步骤3：计算结构参数的增量。步骤4：修正结构参数。步骤5：重复1～4，直至满足收敛条件：

（Ⅳ-2）

（Ⅳ-3）

表示向量范数；和为判断计算是否收敛设定的相对误差。

静力载荷试验的结构有限元模型修正原理：利用结构静力载荷试验的实测响应，直接在结构有限元计算的基础上，通过优化计算，不断调整结构有限元模型的参数（截面特性或弹性模量），使得结构有限元模型计算静力响应与结构实测静力响应的差异最小，从而实现结构静力有限元模型参数的修正。结构静力有限元模型修正的结果是得到一个与当前结构“等价”的有限元计算模型，所谓“等价”指修正后的结构有限元模型在静力受力-变形关系上接近于结构静力才和测试结果。

结构静力有限元模型修正过程按数学优化概念可表述为：在一定（合理）范围内寻找合适的结构有限元模型参数，使得结构有限元模型计算的静力响应与实际结构测试的静力响应的差异最小。结构静力有限元模型修正可转化为对数学优化问题的求解：

（Ⅳ-4）

式中：为待修正的结构有限元模型参数及；、为结构有限元模型参数集上、下限（合理的结构参数取值范围），是优化问题的约束条件。为反映结构有限元模型计算静力响应与结构实测响应差异的指标函数向量，是优化问题的目标函数。

形式、测试载荷工况及测试响应信息的不同，目标函数有多种构造形式，通用的形式可表示为：

（Ⅳ-5）

式中：是结构静力载荷试验的实测响应；

是与对应的结构有限元模型计算静力响应；

为结构静力试验荷载；

是单个函数时，为单目标优化问题，是函数向量集时，为多目标优化问题。

转化为标量的单目标函数形式：

（Ⅳ-6）

式中：和为第个实测响应与对应的结构有限元模型计算静力响应。