基于风险的公共交通型自动扶梯安全保障技术研究

1、2012年安全生产重大事故防治关键技术科技项目建议书项目名称： 基于风险的公共交通型自动扶梯安全保障技术研究 申报单位： 江苏省特种设备安全监督检验研究院 项目负责人： 李向东 联系电话：电子邮箱： lxd1963 研究年限： 2012年03月至2014年09月 国家安全生产监督管理总局二一二年一月一、项目的意义和必要性（项目研究的重要性和紧迫性，国内外同类研究进展情况，本项目对安全生产重大事故防治的作用和意义）1、项目研究的重要性和紧迫性【基本背景】随着工业化进程不断加速，大型起重机日益成为机械、造船、冶金等重大行业生产中不可或缺的关键设备。起重机按照工作的结构与

2、性能可将其分为桥架型起重机与臂架型起重机两大类，其中桥架型起重机又包含了门式起重机、桥式起重机以及梁式起重机。桥式起重机，又称天车，通常坐落在企业生产车间上空，沿两侧轨道水平移动。在高空作业时，桥式起重机沿轨道向货物快速移动，到达指定位置后，起吊货物并搬运到目的地，尤其适用于企业车间。据统计，在室内工作的起重机中，桥架型起重机占到了百分之九十以上，是数量最多、适用范围最广的一种起重机械。桥式起重机工况复杂，工作时受到的瞬间冲击载荷很大，并且很多起重机工作时间长，工作环境恶劣，其金属结构工作时要经受结构疲劳损伤、周围环境腐蚀以及复杂的工作载荷作用的综合影响。桥式起重机的主梁是其重要的核心部件，承

3、担着整机和相关配套电气设备、被吊物体的全部质量，是起重机的主要金属结构，质量大约占整机的70%。起重机主梁是一种典型的焊接结构，其在焊缝附近存在咬边、气孔、裂纹等几何缺陷，这些地方的应力集中程度很高，由于应力集中使焊接结构局部范围内的应力达到较高的水平，从而使这些部位会较早的出现裂纹并扩展直至结构破坏。桥式起重机主梁受到的是随机的交变载荷，其结构失效前很少会有明显的宏观塑性变形，而是在不断变化载荷的持续作用下，先在结构薄弱的位置产生细小的裂纹，然后慢慢扩张，当损伤程度达到某个临界点时，结构的刚度就会产生剧变造成结构崩塌，继而产生灾难性事故。近年来，因为起重机结构疲劳损伤而造成的事故时有发生。例

4、如，1992年10月，某炼钢厂铸造桥式起重机在进行兑铁水作业时，因为主梁下盖板和走台焊接部位疲劳引起裂纹扩展，主梁中部突然断裂致使整机坍塌造成严重事故；2007年4月18日发生在辽宁省铁岭市清河特殊钢有限公司的一起起重机事故，造成了32人死亡、6人重伤，直接经济损失866. 2万元。从八十年代至今，起重机械金属结构破坏事故已有数十起，近年来，虽经国家安全部门的大力整顿，但是起重机仍然事故频发。另一个严峻的现实是，我国目前所使用的桥架型起重机大部分生产于上个世纪八十年代，投入生产工作的时间长且工况复杂，对于这些使用年限超过20年的起重机械，若不加分析地强制报废，会造成社会资源的巨大浪费，因为主梁

5、的报废则意味着桥机寿命的终结，往往造成巨大的财产损失，其代价是高昂的。因此，预测起重机结构的疲劳寿命，准确识别结构损伤，对起重机金属结构做出风险评估和可靠性分析，是保障起重机，尤其是超期服役的起重机进行安全可靠的生产工作运行的重要手段。目前，通过振动监测手段已经可以对起升和回转机构进行寿命评估，但是针对起重机钢结构力学性能参数的监测，如焊缝或母材开裂的状态监测还存在一定的困难，现有技术还处于研究阶段，另外，现阶段对起重机主梁进行全面的结构损伤与失效评估技术研究还比较少，部分关于起重机主梁结构的研究主要集中在安全校验、力学强度计算分析和事故分析等方面，虽然也有少数对起重机承载能力等方面做出了分析

6、研究，但大多局限在某一方面，缺乏全面、系统的研究。在国内起重机械大多无设计寿命的要求，同时国家也无强制的报废年限及标准的情况下，对大型起重机结构损伤与失效评估技术的研究具有较强的现实性和迫切性。【存在问题】起重机械在安装和生产使用过程中，易受到各种环境因素、人为因素等的影响，同时起重机械的主要受力金属构件自身性能也会在使用过程中不断疲劳退化，在这些因素的作用下，一些构件往往在没达到设计使用寿命时就产生不同程度的破坏和损伤。这些疲劳破坏和环境等因素造成的损伤如果任其发展将会由量变到质变，导致结构脆性破坏甚至倒塌。总结起来，起重机结构失效模式大致有以下几个方面:（1）由于疲劳裂纹的造成结构破坏。（

7、2）局部失稳引起整机破坏。（3）环境侵蚀、加工过程中的残余应力及温度共同作用下对起重机构件产生应力腐蚀源，以致减小其使用寿命。（4）振动及人为因素对机构和结构整体稳定的影响。这些潜在因素无时无刻不对结构件的安全造成威胁，因此，起重机械的结构损伤识别监测与失效评估技术研究对保障起重机安全运行来说显得尤为重要。但是，现阶段我国对于起重机械的安全监测还存在以下几个问题，制约了损伤检测的发展。问题一：产品检测水平不高主要表现在长期以来只能对起重机的短期性能指标(出厂性能)作全面考核，而对产品的可靠性，如平均无故障工作时间(MTBF)，平均首次无故障工作时间(MTTFF)，使用可用度(A)等一系列长期性

8、能指标极少涉及，对起重机故障模式、故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使国内的起重机故障多、寿命短。问题二：传统的检测制度和手段不足以满足安全需求现阶段，起重机的安全保障主要依赖于定检、特检及日常维护。然而随着起重机械大型化的发展，日常的维护需要消耗大量时间、材料及人工，而定检、特检有存在时间间隔，不能对各起重机械的运行情况做到实时掌握，缺乏突发事故的预防机理，并且现阶段大多数的损伤识别技术都集中在静力分析上，这种测试结构损伤检测法耗资大、费时多，在实验实施过程中还要对结构的正常使用进行管制，影响生产，尤其重要的机械设备或工程建筑结构在检测时会对生产运行有很大的影响，从而无法实现对结

9、构实时和长期的健康监测。问题三：缺乏有效的损伤识别方法目前国内外有关于结构损伤识别和模型修正的方法均是基于结构整体性态响应的模态分析理论建立的，而模态分析方法对局部的损伤并不敏感，损伤识别效果较差。而且对于像起重机这样的大型复杂力学结构，刻画其整体响应模态是十分困难的。如何建立更为有效地模态分析理论和方法、并充分利用结构健康监测积累的大量数据，对起重机金属结构进行状态识别、评估其安全可靠性能、及时预警，是起重机结构健康监测研究的目标，也是当前迫切需要解决的问题。问题四：现有结构检测系统不统一不规范结构健康监测系统需要多种软件及软件环境，目前软件的开发处于测量阶段，即只能实现对结构状态量的测量，

10、对数据利用效率低，造成极大地资源浪费；另外，至今没有健康监测系统统一的设计指南、规范和技术标准，致使结构健康监测系统的设计比较混乱、无据可依、系统性能良莠不齐。【项目立项的必要性】针对以上问题，解决的关键就在于建立一套行之有效的故障检测诊断系统，使其能够更有效的对起重机金属结构进行损伤识别、预测疲劳寿命、分析金属结构的可靠性并对其风险作出合理评估。我国当前使用的桥式起重机大部分都是20世纪80年代以前生产的，出于生产成本的考虑，仅有少量的退役报废，大部分进入老化状态的桥式起重机仍然在超期服役，老化问题口益突出，超期使用依据不足，风险性较大。鉴于生产和工程中的实际迫切需要，为保证起重机安全可靠地

11、运行，尽量减少起重机灾难性事故的出现，对大型起重机结构损伤与失效评估技术的研究有着重要的工程实用意义和理论研究价值。2、国内外同类研究进展情况本项目的关键技术涉及对大型起重机的关键金属结构进行损伤识别与失效评估。通过大量文献检索和查阅相关资料，可以发现，现阶段针对桥架型起重机结构的相关研究着力点主要在应力分析、强度校核和结构优化等方面，另外也有一些针对起重机寿命预测等方面做出了分析研究，但对于损伤识别尚无过多涉及。损伤识别技术集中于土木、桥梁等大型结构，由于技术条件限制以及大型机械设备结构复杂性等因素影响，专门对大型机械设备比如起重机金属结构损伤识别的研究并不多。同时，我国对起重机结构系统的失

12、效准则与剩余寿命评估原则的研究尚处于开始阶段，这些方法大都停留在理论层面，并未和起重机结构相结合。因此，本项目将针对以下几个内容进行研究，包括基于振动监测的起重机结构疲劳寿命预测研究、基于动力测试的全局性损伤识别研究、起重机金属结构风险评估研究和桥式起重机金属结构可靠性分析研究。2.1.国内外起重机结构疲劳寿命预测研究现状对起重机金属结构的疲劳寿命进行研究是为了准确掌握起重机寿命信息、及时消除起重机结构安全隐患，为安全生产提供保障。为了准确的对起重机疲劳寿命进行预测，许多学者对疲劳寿命的预测方法进行了研究与改进，随着人们对疲劳机理研究的深入，现在已发展了多种疲劳寿命预测的方法。可以说，疲劳寿命

13、研究是从1847年的德国开始的，当时德国人Wohler用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统的研究，提出了著名的S-N疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念，奠定了疲劳寿命预测的理论基础。1920年英国的Gri伍th提出了裂纹扩展的能量理论，到20世纪50年代，诞生了建立在裂纹尖端应力场强度理论基础上的断裂力学理论1。1963年Paris等用断裂力学的方法表达裂纹扩展规律，提出了著名的Paris公式2。Paris公式的诞生揭开了寿命预测的新篇章，为裂纹扩展寿命的研究提供了新方法3。1924年损伤累积的概念首次被提出，1945年，Miner首次用数学公式表达了线性累积损伤理论4。疲劳累积损伤理论引起了人

14、们的广泛关注，成为疲劳寿命研究的理论基础之一。此外还有其它累积损伤理论如：非线性累积损伤理论、双线性累积损伤理论等r71。L Burstein提出了根据设备运行时的热量变化率预测设备疲劳寿命的热诊断法5，由于此方法对监测设备的要求较高，不便于工程应用。发展至今，目前在工程结构疲劳寿命预测中常用的有：断裂力学预测法、疲劳分析预测法、计算机仿真预测法以及在此基础上的仿真分析和模型试验等例。在我国，针对疲劳寿命的预测研究近年来逐渐深入。太原科技大学的徐宁格和左斌针对机械结构的主要破坏形式疲劳破坏，以桥式起重机焊接箱形主梁为研究对象，根据断裂力学ParisErdogan方程，结合Miner疲劳损伤累积

15、理论，应用实验所得数据，推导出了疲劳剩余寿命公式。同时通过采集不同类型、不同额定起重量的起重机在一段时间内相应起重量的工作次数数据，模拟出了危险点处相应的载荷谱，使用VC+为开发平台，研制完成了桥式起重机疲劳剩余寿命评估软件6。太原科技大学的史朝阳在断裂力学的基础上，将初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸、应力比、应力变程等参数的随机性纳入考虑范围，建立了桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命的可靠性模型，同时对可靠性的灵敏度进行了研究7东南大学的谢尧林在有限元静力分析基础上，研究了利用Fe-safe进行起重机疲劳寿命预测的方法，获得了典型工况作用下的疲劳寿命云图与安全系数云图并根据云图得到了起重机结构疲劳寿命

16、分布状态与安全裕度8。大连理工大学的蔡福海，王欣，高顺德，赵福令比较了基于累积损伤理论的力学方法、断裂力学方法、基于信息新技术的衍生方法这三类方法的优缺点，给出了起重机应用的适用范围。结果表明：当结构受力明确时，可以采用名义应力法和虚拟试验法进行评估，计算精度较高；当结构受力复杂，建议采用热点应力法；重要结构件的长裂纹扩展计算可以结合缺口应力法和断裂力学法提高计算精度；起重机复杂系统的评估可以采用状态监测法为评价体系框架，再根据具体结构的受力情况结合不同方法，以达到最有效的评估效果9。2.2.损伤识别研究现状起重机长期工作于重载荷、多粉尘和温差大等恶劣条件下，其结构不可避免发生包括裂纹损伤、连

17、接松动等在内的多种损伤。对于日益大型化的桥架型起重机来说，微小损伤、内部损伤通常难以发现，损伤程度难以判别，更不用说去准确定位损伤。作为结构健康监测系统和既有结构评估共同的核心技术，损伤识别成为近年来的研究热点。国内外学者对结构损伤识别做了大量的研究工作，主要分为确定性识别方法、不确定性识别方法以及动力指纹识别方法10。2.2.1确定性损伤识别方法（1）以无损检测手段为代表的局部损伤识别技术无损检测技术，在不对结构造成损伤的前提下，通过使用各种射线、超声波、声发射等手段对结构的薄弱位置进行检测，评估结构的损伤程度11,12。该领域已有不少学者关注，Jordon,R.D等采用声发射技术成功检测了

18、桥式起重机主梁的载荷分布情况并对某一报废起重机的破坏过程做了实时监测。文中指出，通过声发射技术可以获得较动静力学响应测试更多的结构信息0；吴占稳针对起重机机械，对声发射技术中信号的获取、处理以及声发源的定位等关键性问题做了相关研究14；王德昌、Ditchburn R.J.等也对其它无损检测方法进行了相关研究，并指出无损检测是获得起重机主梁结构服役状态最直接的途径，具有直接确定损伤及其位置、目的性强、结果准确等优点。（2）现代信号处理方法与人工智能技术现代信号处理方法，如小波变换法、神经网络法和遗传算法等避免了模态参数识别的中间过程，针对测得的结构响应数据直接进行分析，通过比较损伤前后响应信号的

19、变化量来进行无模型的结构损伤识别0。宋振华等研究了利用小波变换进行裂纹检测的方法，对传感器检测到的响应信号进行小波变换，获取时域信号的能量比，根据能量比与裂纹状态对应的特征关系利用神经网络进行状态诊断并在LS-DYNA970软件中进行了数值模拟0；张敬芬采用BP算法训练模糊神经网络，使其可以对损伤工况做出快速诊断，将这种方法应用到一悬臂薄铝板的损伤识别中，并针对不同种类裂纹的识别效果做了相应比较0；Vakil-Baghmisheh利用遗传算法来监测可能发生变化的结构固有频率，将悬臂梁的裂纹位置和深度的识别转化为一个优化问题，成功检测了悬臂梁裂纹尺寸和位置0。2.2.2不确定性损伤识别方法研究现

20、状（1）基于经典概率统计的损伤识别在国内，张清华基于概率可靠性理论构造了三种损伤敏感因子，并用其在不同的噪声水平下对框架结构进行了损伤识别0；颜王吉利用概率统计方法，考虑噪声以及其他随机因素造成的模型不确定的情况下完成了对一简支梁的损伤识别0。在国外，Saito等基于概率统计理论提出了对损伤位置和损伤程度概率诊断的方法，并将该方法应用于一五层钢框架试验模型损伤识别中，准确地估计了框架模型每层的刚度0。Hueste等考虑到结构的不确定性，将这些不确定因素表示为随机变量的分布，通过地震烈度和预测值的概率函数来定义结构损伤因子进行损伤识别，并应用该方法对美国中部地区三类建筑结构的抗震结构损伤进行了评

21、价0。以上基于概率统计理论的损伤识别方法都只用了数值仿真算例来验证方法的有效性，其对结构损伤与环境噪声的模拟、结构的振动模态的仿真与真实工作环境和真实结构的模态都会有一些偏差。所以目前很难把握应用概率统计理论进行损伤识别的准确度，实际应用于工程结构的方法还有待进一步的研究与开发。（2）基于不确定性有限元模型修正的损伤识别不确定性有限元模型修正法通过模拟试验测量数据与模型自身参数的不确定性，从而获取相关参数的概率统计特性。在国内为了有效地对不确定性进行定量分析，张清华在数值计算过程中使用代理模型代替初始复杂的有限元模型来描述结构输入和响应间的关系，通过使用代理模型来进行蒙特卡洛抽样23-25。在

22、国外，Papadopoulos等比较了损伤前后刚度的概率统计密度，利用蒙特卡洛抽样法得出了误差的协方差矩阵，依据刚度的概率统计密度确定了损伤概率因子与其置信区间，并将其成功应用于三自由度弹簧质量系统和欧拉-伯努利悬臂铝梁的损伤识别上0。Xia等把试验测试以及有限元建模中的不确定性当作随机变量，采用蒙特卡洛抽样法与摄动法推导出有限元模型的统计变化规律，通过区间估计法得出了相应的损伤概率0。2.2.3动力指纹识别法研究现状动力指纹由结构的模态参数和由它转换推演而来的参数组成，它可以很好的反映结构整体的动力学特性并且与结构的固有特性之间有着非常紧密的联系。损伤前后结构动力指纹会有相应改变，所以可以通

23、过试验测得的动力指纹反过来求解结构的固有特性。目前常用的动力指纹有：基于频率变化、基于振型变化、基于曲率模态、基于柔度差曲率、基于改进刚度指标和基于频响函数这五种。华南理工大学的徐红波研究了上述前五种动力指纹的特点，明确了基于动力指纹的主梁损伤分析步骤并将五种指纹用于桥式起重机主梁的损伤评定。通过将五种指标用于主梁损伤定位分析，发现曲率模态和改进刚度指标在结构前三阶的定位效果最好。之后将曲率模态和改进刚度指标用于损伤程度识别，发现基于改进刚度指标指纹的程度识别能力较曲率模态指纹的程度识别能力更为敏感28。2.3.起重机金属结构风险评估研究现状20世纪五六十年代，欧美将风险分析法最早应用于核电厂

24、的安全性分析中，当时人们意识到，由放射性物质泄漏而导致的事故后果是极其严重的，故50年代中期，人们就试图运用概率论来对核电厂的安全性进行分析。而后，核电工业迅速发展，由于建址越来越接近于人口居住区，故而安全性对于核电工业而言也提出了越来越高的要求。三哩岛核泄漏事故，是1979年3月28口发生在美国宾夕法尼亚州萨斯奎哈纳河三哩岛核电站的一次严重放射性物质泄漏事故。检查发现事故原因是由于堆芯严重损坏致使少部分放射性物质泄漏到周围环境中引起的。该事故是核能史上第一起反应堆堆芯融化事故，事故虽然严重，但未造成严重后果，安全研究所预示着事故发展进程，从此人们更加重视核电厂的概率安全性分析。该事件发生后，

25、核电厂的概率安全评估技术得了更进一步的发展，人们提出了针对具体问题进行风险评估的风险分析方法。菲律宾大学的一位学者Corazon Pe Benito Claudio在1988年曾撰文指出:定量的风险评估过程在发展中国家几乎不存在29。风险分析是一个关于项目规划和实施的基本工具。其成熟的方法在美国和欧洲发达国家己经很多，原因在于:对于发展中国家，由于研究资金往往难筹集到、缺乏练有素的风险分析专业人员、缺乏与风险有关的信息、风险信息资源非常有限。进入21世纪，风险评估方法己广泛应用于中国的许多领域。信息安全领域30,31、地质灾害领域32、化学灾害领域33、结构工程领域等34。风险评估应用于近海工

26、程，可以进行碰撞风险分析、爆炸风险分析、火灾风险分析等，将风险评估法应用在船舶碰撞与搁浅中时，不仅可以分析船舶碰撞与搁浅事故的概率，也可对船舶碰撞与搁浅的环境进行风险评估以及船舶碰撞与搁浅事故中并进行人因可靠性分析对于可靠性常被采用的方法有概率分析法与模糊数学法。但对于起重设备风险评估方面，至今研究尚少。宁波市特种设备研究院的张鸿和阮航对起重机结构风险的影响因素以及结构风险评估指标体系的建立和风险评估标准进行了研究分析，并结合实例对研究结果进行了验证35。上海交通大学的李波从腐蚀、裂纹、强度及变形四个方面考察了桥式起重机金属结构潜在风险，根据桥式起重机风险因素的特点，应用模糊综合评判数学理论，

27、建立了以桥式起重机不同金属结构破坏为子系统的多层次综合评判系统36。2.4.可靠性研究发展状况为了某种使用目的面设计，在给定的环境条件下能够承受和传递可能发生的载荷作用，这种工程构造通常称为结构。结构的可靠性是指结构在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力37。第二次世界大战期间，人们开始有组织的开展可靠性的定量研究38。为了进行可靠性研究，美国于1934年成立“电子管开发委员会”、1946年成立“电子管专业小组”和航空无线电组;1947年成立“空军器材指挥部”;1950年成立“空军研究与开发指挥部”。日本于1956年开始引进可靠性技术，并于1958年其科技联盟成立了可靠性研究会。进入60

28、年代，英、法、德及苏联等国家也开始进行了可靠性技术的普及工作，从1961年美国将可靠性技术应用到“阿波罗”号飞船的研制起，到1969年“阿波罗”号飞船在月球上着陆成功，显示了可靠性技术的巨大效果。60年代是可靠性的普及时期，进入70年代，许多工作国家己将可靠性技术用于更为广泛的民用机械产品。我国从60到70年代，首先在电子工业和国防部门开始进行可靠性的研究和普及工作，继而在机械工业等其他部门也逐步推广应用，并收到了良好的效果。近年来，我国学者己将可靠性应用于各个领域，对于起重机安全性分析，我国的研究学者针对其可靠性较多，蒙特卡罗法39，40、故障树分析法41、模糊数学法42，43现己被应用于起

29、重机金属结构可靠性分析中。综上所述，国内外学者在与本项目有关的关键技术领域做了大量值得我们学习和启发的卓越成果，这些都将为本项目的顺利开展和完成提供借鉴和帮助。3、本项目对安全生产重大事故防治的作用和意义由于本项目的研究是针对大型起重机结构损伤和失效这一基础性、普遍性问题，因此本项目的研究成果可以在技术研究单位的开发、设计、研究，生产使用单位的维护保养，检验单位的安全检验、风险评价、可靠性分析，安全监察机构的安全监察中得到广泛的应用。另外，本项目是基于我国大多数大型起重机已经接近或达到设计使用寿命，潜在安全风险逐渐加大的现实情况而开展的，其成果可直接为与我国类似国情的国家使用，其研究方法也可以

30、为其他国家借鉴和参照。起重机所起重、运输、装卸以及安装的物料都是大宗的重型物品，一旦发生结构失衡或是损坏，造成的损失和后果不可估量。因此，对于大型起重机结构损伤与失效评估技术的研究助于改善和缓解我国大型起重机安全事故有所抬头、安全形势不容乐观的现状，社会效益巨大是不言而喻的。同时，本项目也将产生重大的经济效益。对于那些已经达到或超龄服役的大型起重机，如果按规定强制报废将造成生产的停顿等一系列经济损失，而且，只要起重机金属结构中的疲劳裂纹等控制在允许范围内，就可以保证起重机的安全运行，因此，本项目对于结构的疲劳寿命的评估研究将有助于尽可能的在安全前提下延长起重机使用年限，避免不必要的浪费和损失。

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40、 WANG Zhen, ZHAN Xin-ye.Mixed uncertainty analysis of polycyclic aromatic hydrocarbon inhalation and riskassessment in ambient air of BeijingJ. Journal of Environmental Sciences,2008，20(4):505一512.34师旭超，韩扬.桥梁结构的风险评估分析J.市政技术2005,zl:s9-61.35张鸿，阮航.起重机结构风险评估及其可靠性分析J现代制造,2012(3):92-9336李波.桥式起重机金属结构风险评估及其

41、可靠性分析D上海交通大学，201037何水清，王善.结构可靠性分析与设计M.北京:国防工业出版社.1993.38何其麟，徐林跃.机械结构可靠性M.北京:航空工业出版社.199339董良才，必为建.基于可靠性的集装箱起重机疲劳裂纹扩展控制J.中国工程机械学报，2007,5(4): 453-460.40龙靖宇，权秀敏，张轶蔚.蒙特卡罗法在起重机金属结构应力一时间历程仿真中的应用J.煤矿机械，2006, 27(11): 136-139.41徐格宁，杨恒.基本故障树方法的起重机起升机构模糊可靠性分析J.起重运输机械，2008, 7: 13-19.42李波，陈定方，孙世基，陶德馨.基于模糊故障树的起重机

42、可靠性分析J.起重运输机械，2008,8: 78-82.43王铁，吴净，周淑文，张国忠.桥式起重机主梁的非保守模糊可靠度设计J.西安建筑科技大学学报，2008,40(3): 439-444.二、主要研究内容与预期目标（研究内容和需解决的关键技术问题，研究周期及预期目标等）1、 研究内容本课题的研究主要涉及起重机结构疲劳寿命预测、损伤识别、金属结构的风险评估和靠靠性分析四个方面。其中，疲劳寿命预测主要研究如何在振动监测中提高自动获取参数的技术手段及后续状态参数的演变规律；损伤识别主要研究基于动力测试开展全局性损伤识别；金属结构的风险评估研究主要建立起一套桥式起重机金属结构风险评估分析体系并建立一

43、套可视化界面以方便用户操作；可靠性分析方面则主要基于Msc.nastran 及 Isight 平台，对起重机金属结构进行可靠性分析。具体地：1.1基于振动监测的起重机结构疲劳寿命预测 【研究内容】（1）基于力学方法的研究内容 以桥式起重机焊接箱形主梁为研究对象，根据断裂力学ParisErdogan方程，结合Miner疲劳损伤累积理论，应用实验所得数据，推导出疲劳剩余寿命公式。采集不同类型，不同额定起重量起重机一段时间内相应起重量的工作次数数据，以模拟出危险点处相应的载荷谱。研制完成桥式起重机疲劳剩余寿命评估软件。该软件可模拟实现普通、铸造桥式起重机的疲劳剩余寿命估算，并与实验结果进行比较，（2

44、）仿真虚拟试验方法研究内容之一 （1）起重机应变响应有限元模型修正 （2）振动监测系统与载荷谱识别 （3）结构关键点疲劳损伤可靠性计算（3）仿真虚拟试验方法研究内容之二 首先，应用ANSYS对在上下小车分别位于主梁跨中位置、柔性腿端14跨位置以及上小车位于刚性腿端、下小车位于柔性腿端共同起吊额载载荷等3种典型工况作用下的龙门起重机进行静力学仿真分析，获得应力分布云图与位移云图，仿真结果表明该起重机金属结构的刚度、强度符合GB3811-2008起重机设计规范要求。 其次，在有限元静力分析基础上，研究利用Fe-safe进行起重机疲劳寿命预测的方法。分别将各工况有限元分析结果文件导入Fesafe，对

45、起重机金属结构进行疲劳寿命分析。然后，将Fesafe计算结果再导入ANSYS中进行后处理，获得3种典型工况作用下的疲劳寿命云图与安全系数云图。根据云图可以得到起重机结构疲劳寿命分布状态与安全裕度。 再次，针对线性累积损伤理论存在的不足，提出顺次累积的起重机金属结构疲劳寿命预测方法，建立了循环顺次累积损伤模型(CycleSequential Accumulation Damage Model，简称CSADM)。与Miner方法、CartenDolan方法对比结果表明所提CSADM方法具有较高的预测精度。 最后，根据起重机实测应变历程数据编制载荷谱，应用CSADM模型，在修正PS-N(Probab

46、ilityStress-Number)曲线的基础上对该起重机金属结构进行疲劳寿命预测。并将预测结果与Miner方法、CartenDolan方法以及Fesafe预测结果进行对比，最终确定该起重机金属结构的疲劳寿命。 【研究所需资源】 【研究过程】 【研究成果】1.2基于动力测试的全局性损伤识别 【研究内容】（1） 基于支持向量机的起重机主梁损伤评价 为了有效评估起重机主梁结构的健康状态，以动力指纹SVI特征量为输入指标对起重机主梁进行了损伤研究，以评估起重机主梁的损伤。支持向量机回归预测流程如图1所示。图1 支持向量机回归预测流程图（2）基于模糊分析的起重机主梁损伤评价 ansys 软件为工具对起重机进行有限元仿真，起重机主梁设置损伤，通过有无损伤前后结构的固有频率、模态、振型的变化来