（机械设计及理论专业论文）桥门式起重机模拟加载测试系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桥门式起重机作为特种安全设备 其结构通常会由于设计不合理 工作方式不正 确 工作条件恶劣等原因造成变形过大 主梁断裂 振动剧烈甚至整机垮塌等现象 造成巨大的经济损失和人员伤亡 由于受到财力状况 检测设备 检测场地等因素的 制约 对大型起重机进行现场额定起重量加载测试难度较大 若采用有限元分析技术 对大型起重机进行模拟加载分析 则需对各类起重机进行重复建模 耗时长 重复性 高 效率低 模态分析技术 灵敏度分析技术 可靠性分析技术已经逐渐成熟并广泛 应用于汽车 航空 航天 机械结构 建筑等工程领域 这为起重机结构的动态分析 和可靠性分析提供了理论基础和实践依据 本文综合v i s u a lb a s i c 和a n s y s 软件研制了桥门式起重机模拟加载测试系统 并 在此系统的基础上对桥门式起重机进行静力学分析 模态分析 结构静动态特性灵敏 度分析 可靠性及灵敏度分析 主要工作如下 1 将a n s y s 软件强大的分析功能嵌入至v i s u a lb a s i c 代码中 研制完成了桥门式 起重机模拟加载测试系统 应用此系统可方便 快捷 高效地完成桥门式起重机的模 拟加载分析 降低测试费用 缩短分析周期 提高工作效率 2 在模拟加载测试系统的基础上对桥门式起重机进行静动态特性分析 获取桥门 式起重机各工况刚度 强度值 主梁跨中满载自振频率 竖直方向振幅及其振型 并 判断其是否符合规范要求 3 对桥门式起重机进行静动态特性灵敏度分析 获得静动态特性对各结构参数的 灵敏度值 分析得到静动态特性值对各结构参数的敏感程度 并在一定程度上为结构 优化提供参考依据 4 利用a n s y s 软件的概率分析功能对桥门式起重机进行有限元可靠性及可靠性 灵敏度分析 获取桥门式起重机结构参数在一定摄动范围内的失效概率 各静态特性 值的均值曲线 累积密度函数曲线 对各结构参数的灵敏度分布图及灵敏度值 为桥 门式起重机结构优化提供了理论依据 具有较大的参考价值 本论文选题结合国家质检总局科技计划项目 t 2 0 1 0 s c q t s 一0 0 6 0 研制的桥门式 起重机模拟加载测试系统可显著提高大型桥门式起重机模拟加载分析的效率 减轻模 拟加载分析的工作量 是一款创新的 具有实用工程价值的模拟测试系统 对桥门式 起重机的静动态特性灵敏度分析和有限元可靠性及灵敏度分析为起重机结构优化提供 了理论依据与参考依据 关键词 模拟加载 测试系统 静动态特性 灵敏度分析 可靠性分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t a st h es p e c i a ls a f e t ye q u i p m e n t c r a n e sa l w a y sh a v et h ep r o b l e m so fl a r g ed e f o r m a t i o n r u p t u r eo fg i r d e r f i e r c ev i b r a t i o na n de v e nc o l l a p s eo ft h ew h o l ec t a n eb yt h er e a s o no fi m p r o p e rd e s i g n i n c o r r e c t o p e r a t i o n t e r r i b l ec o n d i t i o na n ds oo n a l lt h e s ep r o b l e m sc a u s et h ee n o r m o u se c o n o m i cl o s s e sa n d p e r s o n n e lc a s u a l t y h o w e v e ri ti sd i f f i c u l tt od ol o a dt e s tf o rl a r g ec r a n e sb yt h er e s t r i c t i o n so ff m a n c i a l c o n d i t i o n s t e s t i n ge q u i p m e n t s t e s t i n gv e n u e se t c i fd o i n gl a r g ec r a n el o a ds i m u l a t i o na n a l y s i sb yf m i t e e l e m e n ta n a l y s i s i ti sn e e dt or e p e a tt h em o d e l i n go fv a r i o u st y p e so fc r a n e s a n dt h es h o r t c o m i n gi s t i m e c o n s u m i n g r e p e t i t i v ea n di n e f f i c i e n t m o d a la n a l y s i s s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i s t e c h n i q u e sh a v e b e e nm a t u r e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fm o t o r c a r s a v i a t i o n a e r o s p a c e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e b u i l de t c w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a lb a s i sf o rt h ed y n a m i ca n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t y a n a l y s i so ft h ec r a n e s t h i sp a p e rc o l l i g a t e sv i s u a lb a s i ca n da n s y st od e v e l o pt h ec r a n e s l o a dt e s ts i m u l a i o ns y s t e m t h e nd os i m u l a t e dl o a dt e s t m o d a la n a l y s i s s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sf o rt h ec r a n e so n t h eb a s i so fs y s t e m t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s 1 e m b e d d e dt h ea n s y s sp o w e r f u la n a l y s i sf u n c t i o ni nt h ec o d e so fv i s u a lb a s i ca n dd e v e l o p e d t h ec r a n e s l o a dt e s ts i m u l a i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc a nd oc r a n e s s i m u l a t e dl o a da n a l y s i se x p e d i e n t l y f l e e t l ya n de f f e c t i v e l y a sw e l la sr e d u c i n gt h et e s tc o s t s s h o r t e n i n gt h ea n a l y s i sc y c l e i m p r o v i n gw o r k e f f i c i e n c y 2 a n a l y z i n gc r a n e s s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so nt h eb a s i so fs y s t e ma n dg e t t i n gc r a n e s f l e x i b i l i t y s t r e s s s e l f f r e q u e n c yo ff u l l yl o a d e dg i r d e r s w i n ga tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n v i b r a t i o nt y p et o j u d g ew h e t h e ra c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n 3 d o i n gc r a n e s s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss e n s i t i 嘶a n a l y s i sa n dg e t t i n gs e n s i t i v i t yf o r s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u u c t u r a lp a r a m e t e r s s e n s i t i v i t ya n a l y s i sp r o v i d e sr e f e r e n c e d e v i d e n c ef o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni ns o m ed e g r e e 4 u t i l i z i n gp r o b a b i l i s t i ca n a l y s i sf u n c t i o ni na n s y st od or e l i a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ys e n s i t i v i t y a n a l y s i sf o rc r a n e sa n dg e t t i n gt h ef a i l u r ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o nc u r v ea n dc u m u l a t i v ed e n s i t yf u n c t i o n c u r v eo fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s s e n s i t i v i t yp l o ta n ds e n s i t i v i t yo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r si nt h ep e r t u r b a t i o n r a n g eo f p a r a m e t e r s i th a sg r e a tv a l u et op r o v i d er e f e r e n c e de v i d e n c ef o rc r a n e s s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 1 1 1 ec r a n e s l o a dt e s ts i m u l a i o ns y s t e mw h i c hc o m b i n e dw i t hs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t so f t h es t a t eg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fq u a l i t ys u p e r v i s i o n i n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n e t 2 010 一s c q t s 0 0 6 0 i sd e v e l o p e dt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ew o r k l o a do fc r a n e s s i m u l a t e dl o a da n a l y s i s a n di ti sa n i n n o v a t i v e s y s t e mw h i c hh a st h eh u g ev a l u ei ne n g i n e e r i n g d o i n gc r a n e s s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ss e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ys e n s i t i v i t ya n a l y s i sb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o dp r o v i d er e f e r e n c e da n da c a d e r n i ce v i d e n c ef o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s s i m u l a t e dl o a d t e s ts y s t e m s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s s e n s i t i v i t y a n a l y s i s r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 起重机发展现状 自从起重机被发明以来 起重机金属结构已经历了两个多世纪的发展与变化 结 构的材料从最原始的木质材料到如今的金属材料 1 从之前的小吨位起重量起重机到如 今的超大吨位起重量起重机 从原来的单一作用到如今的多范围 多领域运用 起重 机结构 用途已发生了翻天覆地的变化 进入2 0 世纪后 由于机械制造业 钢铁冶金 业和铁路 公路 港口等交通运输业的发展与壮大 分别从多个方面和方式促进了起 重机行业的发展与革新 如今起重机作为物料搬运的重要组成部分与主力设备 其随 着制造业 冶金业 建筑业的极具扩张与发展 已经成为需求量十分庞大的搬运机械 由于现代起重运输机械承担着繁重的物料搬运任务 同时随着科学技术的飞速发展 及现代设计制造能力的大幅提高 国际市场竞争日趋激烈与白热化 起重机的技术性 能也在逐步提高 并向着大型化 高速化 自动化和智能化的方向发展 从古至今 起重机金属结构设计的方法大同小异 基本上都是采用以包括材料力 学 结构力学在内的经典力学和数学理论为依据的半理论 半经验设计法和模拟法等 传统设计方法 这些设计方法不仪设计周期长而且在设计中反复运算多 计算量大 在设计完成之后 对于起重机金属结构的强度 刚度 动态刚度等参数进行计算校核 时也只能利用经典力学这一传统计算方式 其所得的结果只能大致反映总体结构的强 度 刚度 动态特性以及稳定性 不能反映结构的局部集中力和局部结构的不合理性 随着现代设计理论 可靠性理论 优化算法理论 价值工程理论等 计算机应用技术和 软件开发技术的不断创新 发展与改革 各种现代化设计方法不断被设计人员所熟悉 并加以应用 起重机设计技术也不断地与这些现代的设计方法进行融合 促使起重机 金属结构的设计进入全面的改革创新 这些现代设计方法包括 有限元设计方法 优化设计方法 可靠性设计方法 计 算机辅助设计方法 仿真设计方法 模块化设计方法 逆向工程设计方法等 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有 有限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 边界元法 b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 有限差分法 f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 等 但通过 实用性和应用的广泛性进行比较 可以发现有限单元法是最为主要的数值模拟方法 2 1 有限单元法的基本思想是 将物体 连续的求解域 离散成按照一定方式相互联结的 有限个数的单元组合 以此来模拟或者逼近原来的物体 连续的求解域 从而将一个连 续的无限自由度问题简化成为一个离散的有限自由度问题 再对该问题进行求解的一 种数值分析方法 3 物体 连续的求解域 被离散后 可以通过对其中的各个单元进行分 析 最终完成对整个物体 连续的求解域 的分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 有限单元法作为一种离散化数值解法 其最先在结构分析领域得到广泛应用 之 后在热 流体 电 磁等领域相继得到大量运用1 4 有限元法最主要的工程应用形式是 结构优化 例如结构的强度分析 振动分析 结构形状的最优化等 有限单元法在结构计算方面具有强大的功能和较高的可信度 因此在起重机金属 结构设计中有限元分析方法也得到了普遍的流传并获得了大范围的应用和认可 由于 a n s y s 软件强大的处理功能 因此该软件也已经被广泛应用于起重机金属结构的静动 态分析之中 桥门式起重机作为主要的物料搬运机械 已经广泛地应用于国民经济生产的各个 部门 但起重机作为特种设备 往往由于其结构设计不合理 起重量过大 环境因素 恶劣等原因 导致桥门式起重机出现严重的安全事故 例如变形过大 主梁断裂 振 动加剧等情况 起重机安全事故的不断出现给社会造成了巨大经济损失和人员伤亡 因此采取有效的措施来降低直至消除安全事故出现的可能性是十分必要也是势在必行 的 而其中一项十分重要的举措便是在起重机正式投入使用前进行载荷试验测试 按照 起重机试验规范和程序 规定 起重机需进行的载荷试验中 应该包括静 载荷试验 动载荷试验和稳定性试验 对于大吨位桥门式起重机的载荷试验 目前国 内主要采取两种方法 1 液压测力计试验 即在起重机空载试验运行平稳 正常的情 况下 用液压测力计对起重机起吊进行载荷试验 主要方法为 测力计一端与地下预 埋件连接 另一端挂于起重机吊钩上 起升机构起升运动 测力计被拉紧并显示起重 量吨位 该测试方法的缺点是只能进行静载荷试验 并且需要埋设多类预埋件以满足 不同跨度起重机的需求 投资巨大 2 载荷试验重块 亦称重砣或砝码 试验 该方法 既可进行静载荷试验也可进行动载荷试验 但是需要制作大量不同大小与重量的试验 重块 投资成本高 对于大吨位起重机 重块制作大大增加了生产成本和测试成本 目前 有关生产厂家大都缺少设计合理 使用方便 安全可靠的试验重物 这种 情况造成的直接后果就是大型起重机无法准确进行载荷试验 未能在现场正式投入使 用前准确地检测大型起重机的安全性能 从而使得原本存在质量问题的大型起重机投 入到实际使用之中 增加了安全事故发生的概率 目前由于受到各种因素的制约 我国对桥门式起重机在载荷试验条件下结构性能 的研究相对较少 在缺乏载荷试验条件的情况下 检测人员一般通过两种方法对大型 起重机金属结构的强度和刚度进行检测 一种方法是通过起重机设计计算说明书 计算说明书所得到的结果主要是根据传 统计算方法或者通过有限元软件模拟分析得到 由于传统设计计算方法对计算模型作 了大量的假设与简化 相应的就会使计算结果存在较大的偏差 而利用有限元分析软 件对大型起重机结构进行分析计算时 由于计算建模的需要 也不得不对一些结构进 行简化 简化的程度与分析人员的技术水平以及其对模型的理解程度有很大关系 这 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 也使得有限元分析结果跟实际数值不可避免的存在一定的差异 这种差异到底有多大 对计算结果影响程度如何 也是一个有待解决的问题 另一种方法是根据大型起重机有限次起吊低于额定起重量的载荷得到结构强度与 刚度的实测数据 并通过简单的线性关系 大致估计满载以及超载2 5 时结构的强度 与刚度值 而在实际情况下 由于结构的复杂性 结构性能参数与试验载荷不可能完 全遵循简单的线性关系 有时甚至会产生较大的差异 因此利用该方法得到的结果显 然也不是十分可靠 1 1 2 模态分析研究现状 随着现代工业和技术的发展 起重机金属结构愈来愈趋于大型化 机械构件的负 荷量和运转速度不断提高 机械振动的动载荷不断增加 有害的振动会降低起重机结 构的工作性能和质量 过大的动载荷会造成机构和结构的破坏甚至疲劳断裂 所以如 今仅对起重机结构进行静强度和静刚度分析已经完全无法满足现代机械结构设计的需 求 因此模态分析逐渐被应用于起重机金属结构的设计之中 用来计算和分析起重机 结构的动态刚度 动态特性 模态分析是研究结构动力特性的一种近似方法 是系统辨别方法在工程振动领域 中的应用 模态分析主要用于分析机械结构固有的振动特性 机械结构的每个模态都 具有其特定的固有频率 振幅 阻尼比和模态振型 这些模态参数可以计算获得也可 通过试验分析获得 模态分析就是获得这些特性的一个计算过程或试验分析过程 通 过有限元计算分析方法获得特性参数的过程 称为计算模态分析 通过试验分析将采 集的系统输入 输出信号经过参数识别获得特性参数的过程 称为试验模态分析 模态分析技术从发展之初至今己趋成熟 它和有限元分析技术一起 已经成为解 耦股动力学中的两大支柱 如今模态分析技术已成为解决工程中振动问题的重要手段 与方法 已经广泛应用于土木 机械 建筑 航空 航天等工程领域 5 1 对结构动态特 性的模态分析可以分为解析分析和试验分析 在解析分析中 模态参数是力学系统运 动微分方程的特征值和特征向量 在试验分析中 模态参数是试验测得的系统的固有 频率 阻尼比和模态振型 模态分析与参数辨识在结构动力学分析中是一种逆问题的分析方法 并在航空 航天及汽车工业领域首先得到应用与发展 模态分析技术已成为解决工程结构动态性 能分析 故障诊断 振动与噪声控制等问题的重要工具与手段 并且模态分析技术已 经运用于我国各个工程项目领域 例如 对火箭全装置进行实物模态试验 确保了火 箭的准确发射与导航 避免了发射失败现象 模态分析与参数识别技术曾被成功运用 于解决航空发动机的严重振动故障 保证了航空发动机的正常运作 避免了严重航空 事故的产生 为鱼雷全装置进行实物水下模态试验 有效控制了鱼雷的振动与噪声 确保了导航的可靠性 并提供了有力的技术依据和技术支持 为上海东方明珠电视塔 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 进行振动模态试验 为电视塔的抗风抗地震安全性设计与评估提供了技术依据 建立 在模态分析技术上的桩基断裂检测技术 已在高层建筑施工中得到广泛应用 提高了 桩基质量 确保了高层建筑安全可靠 6 7 在国内 模态分析技术已经在汽车 航空 航天等领域得到了广泛应用 例如 吉林大学的刘文平 对重型商用车驾驶室白车身进行计算模态分析和试验模态分析 并将模态计算结果与试验结果进行对比 分析了模态振型的相关度 验证了模型的准 确性 并解释了误差产生的原因哺j 重庆建设摩托车股份有限公司的于江等 对摩托车 车架进行了解析模态分析和试验模态分析 并将仿真结果和测试结果进行对比分析 发现试验模态分析结果和有限元模态分析结果都准确获得了结构的频率 振型等参数 试验模态和计算模态可以很好的进行吻合与匹配 9 江苏大学的张学荣就某轿车白车身 进行了计算模态分析和试验模态分析 并通过试验验证了计算模态分析的正确性 该 模态分析不仅考察了车身整体的刚度特性 也对车身结构优化提供了指导性的意见 l o 1 1 3 可靠性及灵敏度分析研究现状 随着计算机技术和数学理论的不断进步 可靠性及可靠性灵敏度分析技术已经日 益趋于成熟 可靠性技术在土木 建筑 机械 电路系统 信号系统等工程领域得到 了广泛地应用 在机械工程领域对机械机构和结构的可靠性分析已经有了多种成熟的 计算理论和计算方法 n 1 3 对起重机金属结构进行可靠性分析可以对起重机结构进行整体的评价与评估 保 证其在应用过程中的可靠程度 对起重机结构进行可靠性灵敏度分析可以获得结构强 度 刚度对各结构参数的敏感程度 避免结构修改中的盲目性 提高设计效率 减少 设计成本 为起重机结构模型优化提供一定的参考依据 1 2 本课题研究的目的和意义 起重机作为特种设备 往往由于其金属结构设计不合理 承载量过大或工作条件 恶劣等原因 导致起重机出现严重的安全事故 而这些事故一旦发生则必然会造成巨 大的经济损失和人员伤亡 因此设计人员和检测人员必须采取有效的措施来降低起重 机安全事故出现的可能性 这些措施中十分重要的一项便是在现场对正式投入使用之 前的起重机进行额定起重量加载测试 由于受到检测场地 设备仪器 检测手段以及 经济条件的限制 在国内对大型起重机进行现场检测不仅需要付出大量测试费用 而 且需要消耗较长时间 因此对大型起重机进行全面地检测难度较大 在国内对起重机结构进行校验 采用较多的是利用有限元分析软件 如a b a q u s a l g o r a n s y s h y p e r m e s h 等对起重机的金属结构进行有限元静刚度和静强度的分 析 使用有限元软件进行模拟加载分析需要消耗一定的时间 一般为3 4 天 若模型 复杂则需要6 7 日 并且对不同的起重机结构均需要进行重新建模 因此开发 款对 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 应各类型起重机结构的模拟加载测试系统显得十分必要 西南交通大学机械工程研究所研制的桥门式起重机模拟加载测试系统 就是一款 由此诞生的模拟加载测试软件 该系统是桥门式起重机模拟加载测试平台的关键部分 运用该系统可以高效的模拟分析u 型双梁 有悬臂且对称的门式起重机和双梁 正轨 或偏轨的桥式起重机 该系统还具备了结果查看和说明书生成功能 使用户直观地了 解分析结果 并节省了书写结构分析说明书的时间 应用该系统可以大大缩短模拟分 析的时间 减少工作量 显著提高工作效率 本论文基于模拟加载测试系统对桥门式起重机进行模态分析 确定桥门式起重机 的动态刚度 确保司机具有良好的操作环境 能有效延长司机的工作时间 此外本论文利用差分灵敏度分析方法对桥门式起重机进行结构静动态特性灵敏度 分析 根据结构特征值与特征向量对各部分质量 刚度及阻尼变化的敏感程度 获得 各结构参数对桥门式起重机结构静动态特性的影响程度 最后本论文利用大型有限元分析软件a n s y s 对桥门式起重机进行可靠性分析和 可靠性灵敏度分析 获得桥门式起重机结构的失效概率 各工况静刚度 静强度值的 均值曲线和累计密度函数曲线 桥门式起重机静态特性对所选结构参数的灵敏度分布 图和灵敏度值 根据桥门式起重机的静动态特性灵敏度分析和可靠性及灵敏度分析结果 可以帮 助设计人员对桥门式起重机的可靠性进行评估 并且在整机结构不满足要求并需要修 改时 提供灵敏度较高的结构参数 使整机结构快速满足设计要求 1 3 本课题研究的内容 本论文以桥门式起重机为研究对象 利用 s u a lb 捌c 软件并结合a n s y s 软件强 大的结构分析功能研制了一款应用于桥门式起重机的模拟加载测试系统 此外还在该 模拟加载测试系统的基础上对桥门式起重机进行模态分析及静动态特性灵敏度分析 最后还对桥门式起重机进行了可靠性及灵敏度分析 主要研究内容如下 1 利用 s u a lb a s i c 软件优越的人机交互界面研制一款针对偏轨 双梁 悬臂对称的 u 型门式起重机和双梁 正轨或偏轨 对称的桥式起重机的模拟加载测试系统 该 系统结合了a n s y s 软件的强大分析功能 利用a n s y s 软件的参数化建模方式对 桥门式起重机进行建模和载荷步分析 2 利用模拟加载测试系统对某5 0 t 3 2 m 门式起重机和5 0 t 3 5 5 m 桥式起重机进行模拟 加载分析 并查看其分析结果和生成有限元分析报告 3 利用模拟加载测试系统的参数化模型对上述5 叫3 2 m 门式起重机和5 0 f f 3 5 5 m 桥式 起重机进行模态分析 各提取前9 阶和前6 阶满载自振频率 竖直方向振幅和振型 并分析桥门式起重机跨中满载自振频率是否满足 起重机设计规范 要求 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 4 利用模拟加载测试系统的参数化模型对上述5 0 t 3 2 m 门式起重机和5 0 t 3 5 5 m 桥式 起重机结构进行静动态特性灵敏度分析 利用差分灵敏度分析法获得桥门式起重机 结构静 动态特性对各结构参数的灵敏度值 5 利用模拟加载测试系统的参数化模型对上述5 0 t 3 2 m 门式起重机和5 0 t 3 5 5 m 桥式 起重机进行有限元可靠性及可靠性灵敏度分析 利用m o n t ec a r l o 法中的拉丁超立 方法对有限元模型进行1 0 0 次迭代 获得桥门式起重机结构失效的概率 各静态特 性值的均值曲线 各静态特性值的累积密度函数曲线和各静态特性值对各结构参数 的灵敏度分布图及灵敏度值表 6 对比差分灵敏度分析结果与有限元灵敏度分析结果 分析两者产生差别的原因 并 提出有限元灵敏度分析结果更为可靠的结论 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章模拟加载测试系统研究 科学技术领域的许多工程分析问题 例如固体力学中的位移场和应力分析问题 传热学中的温度场分析问题 振动特性分析问题等 都可以归结为在给定边界条件下 求解控制方程的问题 在这些问题中 只有少数方程性质比较简单并且几何形状相当 规则的问题才可以利用解析方法求解出精确解 而对于多数工程技术问题 由于求解 对象的几何形状比较复杂或属于非线性问题 使得该类问题无法得到解析解 解决此 类问题主要有两种方法 一种是简化假设 将方程和几何边界简化为能够处理的问题 并获得简化条件下的解析解 另一种方法是利用计算机技术 采用数值计算方法求解 复杂的工程技术问题 获得近似解 但是一般情况下 通过简化假设方法求解得到的 结果通常会由于过多的简化而导致结果的不正确性甚至造成计算结果错误 如今 在工程技术领域求解工程技术问题的数值分析方法主要有以下三种 有限 元法 边界元法和有限差分法 而有限元法已成为当今工程问题中应用最为广泛的数 值计算方法 并在科学技术人员的不断努力与创新下 有限元理论 数值计算技术和 计算机辅助设计技术等被完美地结合起来形成了一批通用的有限元分析软件 众所周知 起重运输机械属特种设备 所以起重机在正式投入运行之前必须进行 结构检测 检测达标的起重机才能进行销售和使用 目前对起重机进行结构设计时 一般都是利用传统的材料力学方法进行强度和刚度的估算 有条件的单位则在进行手 工估算的同时也利用a n s y s 等有限元分析软件进行软件的分析和计算 但是起重机的 种类千差万别 有门式起重机 桥式起重机 塔式起重机 水利门式起重机 桁架式 起重机等 对于同种类型的起重机也有各种各样的形式 有悬臂的 无悬臂的 两侧 悬臂长不同的 两侧悬臂长相同的 双梁的 单梁的等 所以在利用a n s y s 等有限元 软件进行分析计算时 大部分的时间主要消耗在模型建立上 因此对通用的 常见类 型的起重机进行参数化设计 在输入关键参数的情况下就可以调用有限元软件进行自 动分析运算 就可以大大缩短有限元分析的时间 成倍提高设计的速度和效率 桥门式起重机模拟加载测试系统就是一款自主设计的软件分析系统 只要在该系 统中输入门式起重机或桥式起重机的主要参数 就可以调用a n s y s 软件进行自动计算 分析 最终生成计算报告 短短十几分钟就可以完成几天的工作 模拟加载测试系统 结合v i s u a lb 撕c 软件和a n s y s 软件 利用v i s u a lb a s i c 软件的可视化界面设计模拟加 载测试系统的参数输入界面和结果显示界面 利用a n s y s 软件中a p d l 参数化有限 元分析技术对桥门式起重机进行参数化建模和分析 并在v i s u a lb a s i c 程序中调用 a n s y s 软件分析功能 实现两个软件间的调用与兼容 对于质量检测单位来说 可以试图利用模拟加载测试平台对大吨位桥门式起重机 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 进行模拟加载检测 降低了质量检测单位的检测成本和工作负荷 而桥门式起重机模 拟加载测试系统就是模拟加载测试平台的关键部分 2 1 桥门式起重机模拟加载测试平台的框架体系 对于小吨位桥门式起重机的检测 由于其起重吨位小 制作额定试验重块的成本 小 所以一般的特种设备检验检测机构均可在现场通过起吊额定试验重块的方式对小 吨位起重机进行检测 而对于大吨位桥门式起重机的检测 由于其起重吨位大 制作 额定试验重块或设预埋件的成本大 所以对大吨位起重机的现场检测就存在一定的难 度 由此 桥门式起重机模拟加载测试平台试图通过对比大吨位起重机小起重量起吊 检测结果和相同起重量有限元分析结果 推导出大吨位起重机起吊额定起重量 超载 1 0 超载2 5 时检测结果的估计值 桥门式起重机模拟加载测试平台的框架体系如下 1 在大吨位桥门式起重机上设定挠度测试点和多个应力测试点 并对桥门式起重机进 行小起重量起吊检测 获得各测点实测数据 选取4 5 种不同重量的重块进行起吊 检测 重块的选择必须满足两个条件 一为重块的重量差必须大于5 t 且差值越大 越好 二为重块必须是现场所有的或易获得的 2 利用桥门式起重机模拟加载测试系统对 1 中所选的多种不同起重量进行有限元分 析 获得与各实际测点位置相对应位置的有限元分析结果 3 将各测点的实际检测结果与模拟加载测试系统分析结果进行对比 获得各测点的差 值 认定实际测量结果为真实结果 则差值即为有限元分析结果的误差值 将误差 值在图表中进行描绘 并剔除明显不合理的误差值 利用m a t l a b 对所得误差值点 进行曲线拟合 获得适用于该起重机的模拟加载测试系统分析结果误差曲线 4 利用模拟加载测试系统对该起重机进行额定起重量 超载1 0 超载2 5 工况加 载分析 获得各测点有限元分析结果 5 利用所得的适用于该起重机的误差曲线对 4 所得的各测点有限元分析结果进行修 正 推导获得该起重机额定起重量 超载1 0 超载2 5 起吊检测结果的估计值 桥门式起重机模拟加载测试平台的框架体系如图2 1 所示 根据图2 1 的框架体系图 应用模拟加载测试平台以对某额定起重量为1 0 0 t 的门 式起重机进行模拟加载测试为例 说明其模拟加载测试的工作流程 1 在该起重机的主梁跨中 主梁有效悬臂处设置挠度检测点 在主梁跨中下盖板处 主腹板处 支腿与主梁连接处 支腿与下横梁连接处等应力较大位置设置强度检测 点 用以检测各点应力值 2 选择额定起重量1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 的重块 若起重量太大 则可以根据 检测现场的实际状况选择合适的重块 并逐次进行起吊和检测 收集各测点的检 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 测数值 3 利用模拟加载测试系统对该起重机进行额定起重量1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 的重量进行加载分析 获得各测点相应位置处有限元分析结果 4 认定实际检测数据为真实值 对比实测结果和有限元分析结果 获得有限元分析结 果误差值 5 利用m a t l a b 对有限元分析结果误差值进行多项式曲线拟合 获得适用于该起重机 的有限元分析结果误差曲线 采用多项式曲线拟合的主要目的是寻求平滑的曲线表 征带有噪声的误差值变化规律 得到曲线拟合的函数表达式 在进行误差值曲线拟 合时 所有测试数据虽己剔除异样值 但仍然包含噪声 因此 得出的拟合曲线并 不要求通过每一个已知数据点 在m a t l a b 计算中 使用p o l y f i t 函数拟合函数多项 式 该曲线有可能是线性曲线也有可能是非线性曲线 可能的误差曲线形式如图 2 2 所示 6 利用模拟加载测试系统对该起重机进行l o o t l1 0 t 1 2 5 t 起重量加载分析 获得各 测点相应位置处有限元分析结果 7 利用有限元分析结果误差曲线对该起重机额定起重量有限元分析结果进行修正 推 导获得该起重机额定起重量 超载1 0 超载2 5 起吊实际检测结果的估计值 力测试点 f 选择4 5 种不同重量重块对桥门式起重机进f i 行小起重量起吊检测 获得各测点实测数据l 利用m a t l a b 对所得差值点进行多项式曲线拟 合 获得适用于该起重机的模拟加载测试系 统分析结果误差曲线 利用模拟加载测试系统对该起重机进行额定 起重量 超载1 0 超载2 5 i 况加载分析 获得各测点有限元分析结果 利用误差曲线对额定起重量 超载1 0 超 载2 j 工况加载分析结果进行修正 获得该 起重机额定起重量 超载1 0 超载2 5 起吊 检测结果的估计值 利用模拟加载测试系统对该起重机 进行模态分析 获得各阶模态振型 和振动频率 利用模拟加载测试系统对该起重机进行 可靠性及灵敏度分析 获得该起重机结 构失效概率及各结构参数灵敏度分布图 提出该起重机结构修改方案 图2 1 桥门式起重机模拟加载测试平台框架体系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 2 司能的误差曲线 桥门式起重机模拟加载测试系统是桥门式起重机模拟加载测试平台的重要组成部 分 是有限元分析的重要工具 该系统中可以包含起重机静力学分析 模态分析 灵 敏度分析和可靠性分析 目前所开发的桥门式起重机模拟加载测试系统仅包含起重机 静力学分析部分 其余部分将在后续工作中嵌入其中 使桥门式起重机模拟加载系统 得以完善 2 2 有限元的基本思想 有限元法起源于结构分析理论 近年来有限元法理论在工程结构的应用范围由静 力学分析发展到动力学分析问题 稳定性问题和波动问题 从线性问题发展到非线性 弹性和塑性问题 并且有限元法已经在连续体力学的一些场问题中得到了应用 例如 热传导 流体力学 电磁场等领域 2 有限元的基本思想如下表所示 表2 1 有限元基本思想 把连续结构体离散成若干个单元 并通过其边界上的结点将各个单元相互连接成一 个组合体 用各个单元内所假设的近似函数分片地表示所有求解域内待求的未知场变量 并且 各个单元中的近似函数将用未知场变量函数在各单元结点上的数值及与其相对应 2 的插值函数来进行表示 因为场变量函数在连接相邻的单元的结点中具有相同数 值 所以将这些未知量作为数值求解过程中的基本未知量 可以用求解场变量函数 中结点值的有限自由度问题来代替求解原函数无穷多自由度问题 通过包括基本方程 边界条件在内的数学模型等效的变化原理或加权余量法 建立 求解基本未知量的代数方程组或常微分方程组 运用数值方法求解获得问题答案 因此有限元分析方法求解实际工程问题的基本步骤为 建立有限元模型 推导 有限元方程式 求解有限元方程组 数值结果表示 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 2 2 1 有限元方法的特点 有限元方法的特点主要体现在以下几个方面 1 对复杂结构的适应性好 由于在连续体力学问题中 多数复杂结构问题得不到解析解 而有限元法则可有 效地分析复杂结构问题 利用离散化方法将无限自由度连续体力学问题转变为有限单 元离散体问题再进行求解计算 所得的近似解完全能够达到工程所需精度 2 适用于多数物理问题 有限元法不仅可以处理线弹性力学问题 非线性应力 大变形问题 动力学问题 等 还可以解决流体力学问题 电磁场问题 热传导问题等 甚至不同物理现象的耦 合问题 适用范围相当广泛 3 物理概念清晰 可以通过物理理论 数学理论等不同的理论层面对有限元法进行各方面的理解 4 高效的计算机实现 由于有限元法主要采用矩阵形式进行表达 所以利用计算机进行编程十分方便 另外对模型内部和边界单元 有限元法都能采用相同的场变量函数进行表达 而模型 边界条件的改变 无需变化场变量函数 这便在很大程度上简化了程序的编制 2 2 2 位移函数 一个典型的有限单元p 可以由结点厶 m 和直线边界来确定 该有限单元中任何 一点的位移6 可以表示为 f41 6 m 4 f 虬 哆 肺8 2 1 瓯j 式 2 1 中卜给定分量 位置的函数 万 单元结点位移 对应于平面应力的情况 万 舱斟 式 2 2 表示在单元中任何一点0 的水平位移和垂直位移 4 2 黝 式 2 3 表示单元中的结点i 的水平位移和垂直位移 函数m 彤 选择原则为 分别将各个结点坐标代入式 2 1 中 相应的位移值 因此有 n i b y a i 2 2 2 3 并获得各结点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 n i x i y 沪n i b m y m 0 函数 称作形状函数 2 2 3 应变 根据单元中已知的各点位移 可以确定出任何一点的应变表达式为 s l 6 式中三为线性算子 根据式 2 1 可得 c l n 6 e 记刀 删 则有 占 b 6 对应于平面应力的情况 线性算子三根据位移关系式来进行确定 h 珏 2 d 出 v o y o u 加 卸a x 旦o o x 0 旦 砂 aa 方苏 2 4 2 5 2 6 2 7 根据m m 这三个已知的形状函数 即可得到b 2 2 4 应力 假设巳为单元边界内材料所承受的初应变 那么应力将根据真实应变值与初应变 值的差值进行计算 假定所选材料为线性弹性体 那么应力与应变的关系式可由下式 表示 仃 d c c o 2 8 对于平面应力情况 应力可记为 h 弘 巳一 占 吉巳一詈q 一 占 一量q 吉q 一 岛 塑等尘 南卜式可得 2 9 2 1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 d 告 1 u1 o0 0 o 1 一u 2 2 i 1 2 2 5 薄板问题的有限元法 如图2 3 所示 坐标平面x o y 位于薄板的中面上 按薄板弯曲的基本假定 板中各 点的位移可表示为 o w u 一z 一 0 x 洲 v 一z a v w w x y 上式中u v 和w 是板中某点对应于坐标轴方向的位移分量 z o 短 2 1 2 图2 3 薄板模型示意图 由式 2 一1 2 可知 z o 即平板中面各点u w o 即不产生平行于平面方向的位移 平板中面挠度w 可以表示板中各点的挠度 且与z 无关 由几何方程表示为 弘 2 d 掰 o d 1 砂 a u 西 一上 却a x a 2 w 缸2 a 2 w 砂2 2 盟 8 x a y 根