基于移動載荷法的單主梁門式起重機結(jié)構(gòu)的缺陷識別*

趙 俊，鐘舜聰，楊曉翔*，郭金泉，龔凌諸

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州，350108;2.福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福建福州，350001)

0 引 言

起重機正朝著自動化、智能化、核心技術(shù)化的方向發(fā)展［1-2］，門式起重機作為其中一員，憑借場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強等特點，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］對小型門式起重機進行了模態(tài)分析的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)小型門式起重機結(jié)構(gòu)為一低頻振動系統(tǒng)，快速起升和突然卸載時的沖擊容易引起結(jié)構(gòu)共振;朱從兵［5］借助有限元分析軟件對輕型港口起重機進行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學分析等結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)研究，對起重機優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

近年來，國內(nèi)外學者對結(jié)構(gòu)缺陷檢測方面的研究也產(chǎn)生了濃厚興趣。龔凌諸等［6］采用自然風的隨機激勵對港口起重機進行了工作振動模態(tài)分析，為基于模態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測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］都對振動檢測技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用提出了自己的方法與見解。Shuncong Zhong等［9］運用附加質(zhì)量檢測法，對桿狀結(jié)構(gòu)進行缺陷檢測，通過研究發(fā)現(xiàn)，附加質(zhì)量在桿狀結(jié)構(gòu)上的移動，能夠放大缺陷對桿狀結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響效果，從而探測缺陷的所在位置。這種方法具有效率高、魯棒性好、精度高等優(yōu)點。Qindan Huang等［10］結(jié)合修正的貝葉斯模型和一種基于振動的缺陷檢測技術(shù)，利用指定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，提出了一種對潛在不確定因素引起的缺陷進行無損檢測的方法。

本研究提出的移動載荷法通過用質(zhì)量單元模擬重物在門式起重機上的移動過程對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行研究，從而得出缺陷所在位置，對推動無損檢測的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

1 基于移動載荷法的單主梁門式起重機的結(jié)構(gòu)缺陷識別方法

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

圖1 移動載荷法原理示意圖

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

隨著載荷在主梁上的移動，整個結(jié)構(gòu)的固有頻率會發(fā)生相應(yīng)地變化，當載荷移動到缺陷所在位置附近，對于整個結(jié)構(gòu)來說，其剛度的變化相對其他遠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隨著增加(相對于無缺陷的剛度)。因此，利用移動載荷法，就能夠推斷出缺陷所在位置。

2 單主梁門式起重機有限元建模及分析

本研究的研究對象是福建省特種設(shè)備檢驗研究院起重機械健康監(jiān)測實驗室的一臺型號為MH0.5-3.5的單主梁門式起重機，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，工作級別為A5，主起升速度分為快慢兩檔:8 m/min和2 m/min，葫蘆運行速度分為快慢兩檔:12 m/min和3 m/min，大車運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的實物如圖2所示。

圖2 MH0.5-3.5單梁門式起重機實物圖

建模主要以該起重機的金屬結(jié)構(gòu)作為研究重點，所以本研究對電氣設(shè)施和大車運行機構(gòu)作了適當簡化，電動葫蘆和載荷用質(zhì)量點來代替。

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圖紙，進行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，可進行有限元模型的形成與網(wǎng)格劃分，本研究共得到560 861個節(jié)點，387 221個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行模態(tài)分析。將小車在主梁上運動的有效長度平均分為32點、31段(首尾各有1點)，利用在32個位置添加質(zhì)量單元MASS21的方式，模擬小車和載荷共100 kg在主梁上運動時所處的不同位置。將底部與大車機構(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(小車運動到23號與24號位置序列之間處)的主梁雙工字鋼下表面處，設(shè)置了長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法對上述4個模型進行模態(tài)分析，在10階擴展模態(tài)中，選出了2個典型的振型，并分別得到了4組模型的2個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

兩個典型振型對應(yīng)的用移動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，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，當質(zhì)量單元移動到23號與25號位置之間時，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。對同一振型來說，影響固有頻率差值的因素有兩個: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，進而說明整個結(jié)構(gòu)的剛度降低越明顯。所以，通過移動載荷法可以定性地判斷出起重機主梁上缺陷所在的位置，并且在實際的起重機結(jié)構(gòu)無損檢測過程中，也可以運用該方法進行缺陷定位。

4 結(jié)束語

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

在主梁上運動過程的模擬，提取了兩個典型振型的固有頻率曲線。筆者對模擬結(jié)果進行了固有頻率值求差處理，并得出“質(zhì)量單元在起重機主梁上的移動改變了結(jié)構(gòu)固有頻率”的結(jié)論。當尺寸的缺陷越大，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，進而達到缺陷定位的目的，該結(jié)果為起重機無損檢測提供了重要依據(jù)。

［1］劉永峰，田洪森.國內(nèi)外工程起重機發(fā)展狀況研究［J］.施工技術(shù)，2008，37(s2):476-477.

［2］王小明，盧志強.國內(nèi)外大型起重機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(2):6-10.

［3］周俊堅，王黎斌，楊 勇.基于ANSYS的一種造船門機金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機械，2012，39(11):49-53.

［4］胡留現(xiàn)，李一帆，王慧萍.小型門式起重機靜力學及模態(tài)分析數(shù)值模擬的研究［J］.礦山機械，2010，38(15):72-75.

［5］朱從軍.基于有限元法的輕型港口起重機結(jié)構(gòu)動態(tài)分析［J］.中國工程機械學報，2008，6(3):333-339.

［6］龔凌諸，楊曉翔，鐘舜聰，等.基于環(huán)境激勵的港口起重機工作模態(tài)分析［J］.機電工程，2011，28(4):422-424.

［7］仲偉秋，孫 國，楊學軍，等.橋梁損傷的一種振動檢測方法［J］.遼寧工程技術(shù)大學學報，2005，24(5):698-699.

［8］楊永剛，羅 韌.有關(guān)橋梁振動檢測技術(shù)的討論［J］.低溫建筑技術(shù)，2008，30(4):91-92.

［9］ZHONG Shun-cong，OYADIJI S O，DING Kang.Responseonly method for damage detection ofbeam-like structures using high accu-racy frequencies［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，311(3-5):1075-1099.

［10］HUANG Qin-dan，GARDONI P，HURLEBAUS S.A probabilisticdamage detection approach using vibr-ation-based non destructive testing［J］.Structural Safety，2012(38):11-21.

［11］SALAWU O S.Detection of structuraldamage through changes in frequencie-s:a review［J］.Engineering Structures，1997，19(3):718-723.