基于移動(dòng)載荷法的單主梁門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的缺陷識(shí)別*

趙 俊，鐘舜聰，楊曉翔*，郭金泉，龔凌諸

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州，350108;2.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建福州，350001)

0 引 言

起重機(jī)正朝著自動(dòng)化、智能化、核心技術(shù)化的方向發(fā)展［1-2］，門式起重機(jī)作為其中一員，憑借場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工廠、港口、造船廠、電站等處得到了廣泛應(yīng)用。

隨著有限元技術(shù)的蓬勃發(fā)展，利用有限元分析軟件對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬已成為一種比較流行的方法［3］。胡留現(xiàn)等［4］對(duì)小型門式起重機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)小型門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)為一低頻振動(dòng)系統(tǒng)，快速起升和突然卸載時(shí)的沖擊容易引起結(jié)構(gòu)共振;朱從兵［5］借助有限元分析軟件對(duì)輕型港口起重機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，對(duì)起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方面的研究也產(chǎn)生了濃厚興趣。龔凌諸等［6］采用自然風(fēng)的隨機(jī)激勵(lì)對(duì)港口起重機(jī)進(jìn)行了工作振動(dòng)模態(tài)分析，為基于模態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和裂紋診斷提供了一種有效方法。仲偉秋等［7］和楊永剛等［8］都對(duì)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用提出了自己的方法與見解。Shuncong Zhong等［9］運(yùn)用附加質(zhì)量檢測(cè)法，對(duì)桿狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷檢測(cè)，通過研究發(fā)現(xiàn)，附加質(zhì)量在桿狀結(jié)構(gòu)上的移動(dòng)，能夠放大缺陷對(duì)桿狀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響效果，從而探測(cè)缺陷的所在位置。這種方法具有效率高、魯棒性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。Qindan Huang等［10］結(jié)合修正的貝葉斯模型和一種基于振動(dòng)的缺陷檢測(cè)技術(shù)，利用指定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，提出了一種對(duì)潛在不確定因素引起的缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)的方法。

本研究提出的移動(dòng)載荷法通過用質(zhì)量單元模擬重物在門式起重機(jī)上的移動(dòng)過程對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，從而得出缺陷所在位置，對(duì)推動(dòng)無損檢測(cè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

1 基于移動(dòng)載荷法的單主梁門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別方法

在以往的研究中，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)［11］，當(dāng)缺陷的比例達(dá)到50%時(shí)，利用有限元技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，有缺陷模型的第一階彎曲振型相對(duì)無缺陷模型來說，其固有頻率將會(huì)有5%的變化，也就是說，當(dāng)缺陷深度占整個(gè)結(jié)構(gòu)的50%以上時(shí)，才能用結(jié)構(gòu)本身的固有頻率變化檢測(cè)出來。所以在缺陷尺寸相對(duì)較小的情況下，這是一項(xiàng)非常困難的工作。本研究提出了一種移動(dòng)載荷法，通過在門式起重機(jī)上添加質(zhì)量單元的方法，模擬重物由主梁一端移動(dòng)到另一端的過程，以此放大缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生的影響，達(dá)到識(shí)別缺陷所在位置的目的。移動(dòng)載荷法原理示意圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)載荷法原理示意圖

以研究對(duì)象單主梁門式起重機(jī)為例，尺寸如圖1所示，重物由主梁的一端向另外一端緩慢移動(dòng)。

隨著載荷在主梁上的移動(dòng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，當(dāng)載荷移動(dòng)到缺陷所在位置附近，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)來說，其剛度的變化相對(duì)其他遠(yuǎn)離缺陷的位置要明顯得多，并且在缺陷深度增加的情況下，結(jié)構(gòu)剛度變化的程度也會(huì)隨著增加(相對(duì)于無缺陷的剛度)。因此，利用移動(dòng)載荷法，就能夠推斷出缺陷所在位置。

2 單主梁門式起重機(jī)有限元建模及分析

本研究的研究對(duì)象是福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院起重機(jī)械健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)型號(hào)為MH0.5-3.5的單主梁門式起重機(jī)，其最大起升高度為1.5 m，額定起重載荷為500 kg，跨度為3.5 m，工作級(jí)別為A5，主起升速度分為快慢兩檔:8 m/min和2 m/min，葫蘆運(yùn)行速度分為快慢兩檔:12 m/min和3 m/min，大車運(yùn)行速度分為快慢兩檔:20 m/min和5 m/min，材質(zhì)為Q235-B，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.85×103kg/m3。該單主梁門式起重機(jī)的實(shí)物如圖2所示。

圖2 MH0.5-3.5單梁門式起重機(jī)實(shí)物圖

建模主要以該起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)作為研究重點(diǎn)，所以本研究對(duì)電氣設(shè)施和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)作了適當(dāng)簡(jiǎn)化，電動(dòng)葫蘆和載荷用質(zhì)量點(diǎn)來代替。

2.1 三維模型的建立

本研究利用三維建模軟件UG，根據(jù)提供的單主梁門式起重機(jī)圖紙，進(jìn)行1∶1建模，三維模型如圖3所示。

圖3 MH0.5-3.5單梁門式起重機(jī)三維模型

2.2 建立有限元模型與網(wǎng)格劃分

將在UG中建立好的三維模型用IGS格式導(dǎo)入前處理軟件Ansa中，可進(jìn)行有限元模型的形成與網(wǎng)格劃分，本研究共得到560 861個(gè)節(jié)點(diǎn)，387 221個(gè)Solid185單元。

2.3 有限元模態(tài)分析

在Ansa中建立好有限元模型之后，本研究用cbd格式導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。將小車在主梁上運(yùn)動(dòng)的有效長(zhǎng)度平均分為32點(diǎn)、31段(首尾各有1點(diǎn))，利用在32個(gè)位置添加質(zhì)量單元MASS21的方式，模擬小車和載荷共100 kg在主梁上運(yùn)動(dòng)時(shí)所處的不同位置。將底部與大車機(jī)構(gòu)連接的地方設(shè)置為全約束(Ux、Uy、Uz、ROTx、ROTy、ROTz都為 0)。本研究在距離懸臂端1 130 mm(小車運(yùn)動(dòng)到23號(hào)與24號(hào)位置序列之間處)的主梁雙工字鋼下表面處，設(shè)置了長(zhǎng)120 mm，寬2 mm，深度分別為2 mm、4 mm、6 mm 的規(guī)則缺陷(總厚度為8 mm)，分成0%缺陷(無缺陷)、25%缺陷、50%缺陷、75%缺陷共4組有限元模型。50%缺陷網(wǎng)格放大圖如圖4所示。

圖4 50%缺陷網(wǎng)格放大圖

本研究用Block Lanczos法對(duì)上述4個(gè)模型進(jìn)行模態(tài)分析，在10階擴(kuò)展模態(tài)中，選出了2個(gè)典型的振型，并分別得到了4組模型的2個(gè)典型振型的振型圖及固有頻率曲線。第2振型圖如圖5所示。

圖5 第2振型圖

兩個(gè)典型振型對(duì)應(yīng)的用移動(dòng)載荷法得到的含有不同缺陷模型的固有頻率曲線圖如圖6所示。

圖6 第2振型固有頻率曲線圖

3 缺陷識(shí)別方法及結(jié)果討論

從圖6中很難看出4組模型在同樣移動(dòng)載荷情況下的差別。本研究用固有頻率值求差的方法，以無缺陷固有頻率曲線作為基準(zhǔn)，將25%、50%、75%這3組模型得到的固有頻率曲線分別與無缺陷模型的固有頻率曲線求差，得到的第2振型固有頻率差值曲線如圖7所示。

圖7 第2振型固有頻率差值曲線

從圖7可以看出，當(dāng)質(zhì)量單元移動(dòng)到23號(hào)與25號(hào)位置之間時(shí)，固有頻率差值有明顯的變化，這與之前設(shè)定的缺陷位置相符合。對(duì)同一振型來說，影響固有頻率差值的因素有兩個(gè):①缺陷尺寸的大小;②質(zhì)量單元離開缺陷所在位置的距離。缺陷的尺寸越大，質(zhì)量單元越接近缺陷所在位置，那么，有缺陷的固有頻率值與無缺陷的固有頻率值之間的差值就越大，進(jìn)而說明整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度降低越明顯。所以，通過移動(dòng)載荷法可以定性地判斷出起重機(jī)主梁上缺陷所在的位置，并且在實(shí)際的起重機(jī)結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)過程中，也可以運(yùn)用該方法進(jìn)行缺陷定位。

4 結(jié)束語

本研究利用移動(dòng)載荷法，建立了型號(hào)為MH0.5-3.5的單主梁門式起重機(jī)的三維模型和有限元模型，并且對(duì)4組不同缺陷的模型進(jìn)行了小車和載重共100 kg

在主梁上運(yùn)動(dòng)過程的模擬，提取了兩個(gè)典型振型的固有頻率曲線。筆者對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了固有頻率值求差處理，并得出“質(zhì)量單元在起重機(jī)主梁上的移動(dòng)改變了結(jié)構(gòu)固有頻率”的結(jié)論。當(dāng)尺寸的缺陷越大，質(zhì)量單元越靠近缺陷所在位置，則有缺陷結(jié)構(gòu)的固有頻率值與無缺陷結(jié)構(gòu)的固有頻率值之間的差就越大，進(jìn)而達(dá)到缺陷定位的目的，該結(jié)果為起重機(jī)無損檢測(cè)提供了重要依據(jù)。

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