CN106556522A - 一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，包括以下步骤：计算机通过无线动态应变采集模块获取固定时间内起重机金属结构的薄弱处的应变计采集的应变时间历程数据；计算机按雨流计数法处理所述应变时间历程数据，计算出构件的累积疲劳损伤D，并根据该累积疲劳损伤D计算构件的疲劳寿命T。本发明实现了无线远程对海洋平台起重机金属结构的无线应变监测和剩余寿命评估，通过构件的寿命评估结果，可以在部件发生疲劳破坏之前能够制定相应的延寿方案，确保海洋平台起重机的正常使用、降低不必要的损失。

Description

一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法

技术领域

本发明属于海洋平台起重机监测技术领域，具体涉及一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法。

背景技术

随着全球海洋工业及运输业的发展，对作为海洋石油平台及船舶等货物装卸和人员输送的海洋平台起重机的需求激增。海洋平台起重机的金属结构在正常工作时，通常要承受自身重量、起升载荷、环境、平台船舶运动产生的各种载荷以及要承受诸如起升、吊臂变幅、回转运动产生的冲击力；当平台外起升时，还要承受起吊载荷时供给船运动产生的冲击力。有数据表明40％-60％的陆上起重机金属结构是在长期重复变化的载荷下发生疲劳断裂破坏，对于受力复杂的海洋平台起重机在循环载荷作用下，会发生疲劳破坏。由于海洋平台通常远离陆地、自身可操作面积较小导致了设备损坏后不易立即更换、从而耽误工期。

由于海洋环境恶劣、使用时间的增长使得海洋平台起重机发生故障概率大大提高和起重机金属结构疲劳破坏造成重大事故、经济损失惨重、社会影响恶劣以及发生破坏的突然性，所以有必要对在役起重机的金属结构的应变进行在线监测和剩余寿命评估，以便在部件发生疲劳破坏之前能够制定相应的延寿方案，确保海洋起重机的正常使用、降低不必要的损失。

如今，对于海洋平台起重机金属结构的剩余寿命评估主要是定期现场测试获得实验相关数据，然后对所得实验数据进行处理，得到结构的疲劳剩余寿命。这种现场测试主要是基于有线的方式。有线的方式通常耗费大量的人力、时间、检测效率较低、导线连接故障不易检修、布线不当还会影响机构运动。

目前，也有一些基于无线传感器网络的测试技术和CDMA公网远程监控应用于结构应变测试，这些方法通常考虑低能耗设计、传输距离较短、金属障碍物绕射能力较差，不能实现对于大型金属结构的无线应变监测和剩余寿命。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，其通过对海洋平台起重机金属结构的应变进行在线无线监测，然后根据应力时间历程评估金属结构剩余寿命，并对可能会发生疲劳破坏的部件提前预警，提高了监测的效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，包括以下步骤：

计算机通过无线动态应变采集模块获取固定时间内起重机金属结构的薄弱处的应变计采集的应变时间历程数据；

计算机按雨流计数法处理所述应变时间历程数据，计算出构件的累积疲劳损伤D，并根据该累积疲劳损伤D计算构件的疲劳寿命T。

进一步的，所述雨流计数法的步骤如下：

将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除；

识别前述奇异值剔除后数据中的非峰谷值并去除；

对应变时间历程调整，保证处理后信号的首末端的两点值绝对值最大，使雨流计数过程得到的是完整循环；

将经过应变时间历程调整后只保留峰谷值的应力时间坐标系连同历程曲线顺时针旋转90度，利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取，并获得载荷谱；

采用Goodman曲线对雨流计数得到的应力幅值和应力均值进行等效转换，根据以下公式得到等效应力幅值；

其中，S_e为等效应力幅值，S_u为构件的强度极限，S_a、S_m为雨流计数提取的循环数的应力幅值、应力均值；

统计等效应力对应的频次，结合构件在不同应力均值和不同应力幅值下的P-S-N曲线,根据Miner线性累积疲劳损伤理论计算结构的累积疲劳损伤：

其中,n_i为等效应力对应的频次，N_i为材料S-N曲线S应力对应下的寿命，然后计算构件的疲劳寿命T，T＝1/D,疲劳寿命T表示该上述载荷谱执行T次，构件将发生疲劳破坏。

其中，所述利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取的步骤如下：

应力值从每个峰或谷的内侧向下落，形成雨流，雨流在流到峰值处竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值或最小值更正的最大值或更负的最小值为止，当下落的应力值遇到来自上层落下的应力值时停止下落，完成一个循环计数；

在雨流计数循环提取时，首先依次读取三个峰谷值点，然后进行一次计数判定，如果符合条件，则得到一个循环，得到应力幅值与应力均值，并将该循环的末端点赋给下一次循环判定的初始点；

如果不符合条件，就再向下连续读取三个峰谷值点进行评判，直到最终计数全部结束。

优选的，所述将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除,是采用3σ准则对奇异值进行剔除，首先计算应力数据的平均值然后计算标准差σ，若残差的绝对值大于3σ即可判定此数据为奇异值然后剔除。

本发明通过对海洋平台起重机金属结构薄弱处的应力应变在线无线监测，并在固定时间内对获得数据进行相关处理，然后由专用的计算机根据获取得数据来计算部件剩余寿命，实现无线远程对海洋平台起重机金属结构的无线应变监测和剩余寿命评估，提高了检测效率，通过构件的寿命评估结果，可以在部件发生疲劳破坏之前能够制定相应的延寿方案，确保海洋平台起重机的正常使用、降低不必要的损失。

附图说明

图1是本发明的应力应变时间历程数据获取系统的结构示意图；

图2-7是无线动态应变采集模块的应变片的六种不同连接方式；

图8是海洋平台起重机金属结构的剩余寿命评估的流程图；

图9是本发明提供的应变时间历程调整的示意图；

图10是雨流计数的示意图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

本发明是通过在海洋平台起重机金属结构薄弱处焊接相应的应变计，然后连接多台无线动态应变采集模块(无线动态应变仪)，无线动态应变仪通过GPRS模块和无线AP(Access Point)实现动态应变信号与笔记本电脑之间的信号传输，然后计算机在固定时间内将获得的应力时间历程数据经过雨流计数处理获得部件的载荷谱，结合部件的P-S-N曲线计算构件的疲劳损伤累积和剩余寿命。

本发明中，所述起重机金属结构的薄弱处，指在进行金属结构的动态应变采集实验之前进行有限元分析并根据有限元结果得到的金属结构薄弱处。

本发明实现无线监测以及寿命评估的方法，采用图1所示应力应变时间历程数据获取系统，该应力应变时间历程数据获取系统，包括多个应变计，并通过无线动态采集模块(即图1所示的采集模块)与计算机无线连接并通信，将应变计采集的数据传送到计算机处理。

所述无线动态采集模块内部包括前置放大器、平衡电路、放大器、A/D转换器、控制器、WiFi模块和供电模块等硬件，其中，前置放大器的前端与应变计连接，前置放大器的后端与平衡电路的前端连接，平衡电路的后端与放大器连接，放大器与A/D转换器连接，A/D转换器连接控制器，控制器连接WiFi模块、用于数据采集的储存的缓存(模块，即存储器)，供电模块为锂电池供电和\或220V交流电供电，其中，所述WiFi模块通过无线AP与以太网连接，计算机通过以太网与线动态采集模块。

所述无线动态采集模块外部还可以通过连接GPRS模块和计算机的通信。

本发明中，每台计算机可以通过无线AP控制16个无线动态应变采集模块同时工作，每个无线动态采集模块有4个通道，可连接4个应变计，通信距离可达200米，可采用锂电池供电也可外接交流220V，完全可以满足海洋平台起重机金属结构应变的在线监测和剩余寿命的要求。

在测量时，通过封装在无线动态采集模块内的桥压(模块)实现应变计的测量电阻变化，从而测量应变；前置放大器用于将应变计的电阻值变化信号放大后输入平衡电路处理，并在平衡电路处理后送入放大器放大，然后经AD转换后缓存，然后由控制器控制通过无线方式传送到计算机处理，所述平衡电路用于精确地测量出应变计的电阻值变化，所述无线动态采集模块可采用1/4桥、半桥、全桥三种桥路方式进行应变测量，电桥对应选用不等数量的应变片和固定电阻；本发明中，该无线动态采集模块是现有技术设备，如采用TST5925E无线遥测式动态应变测试分析系统。

本发明中，在测试前，先要根据对起重机的模拟理论计算获得起重机金属结构的薄弱处，然后将应变计焊接在薄弱处；应变片可以常规技术选择不同的连接方式与无线动态采集模块的接线端Eg+，Eg-，Vi+，Vi-相连接，如图2-7所示，有6种，与无线动态应变采集模块进行连接，不同的连接方式对应着不同的电桥回路用于不同的测量工况，其中，图2所示为三线制1/4桥，用于测量简单拉伸压缩或弯曲应变，图3所示为半桥式应变测量，应变片1为工作片，应变片2为补偿片，适用于恶劣环境使用，图4所示为半桥式应变测量，应变片1，应变片2均为工作片，同一表面不同方向，适应用于环境温度变化较大情况下使用，图4为半桥式应变测量，应变片1，应变片2均为工作片，同一表面不同方向，适应用于测弯曲应变，消除了拉伸与压缩应变，图5为全桥式应变测量，应变片1，应变片2均为工作片，同一表面不同方向，适应用于只测量拉伸与压缩应变，图6为全桥式应变测量，应变片1，应变片2均为工作片，同一表面不同方向，适应用于只测量弯曲应变。

如图1以及8所示，一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，包括以下步骤：

S1,计算机通过无线动态应变采集模块获取固定时间内起重机金属结构的薄弱处的应变计采集的应变时间历程数据；

S2,计算机按雨流计数法处理所述应变时间历程数据，计算出构件的累积疲劳损伤D，并根据该累积疲劳损伤D计算构件的疲劳寿命T。

进一步的，本发明中，所述雨流计数法的步骤如下：

S101，将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除；

需要说明的是，由于奇异值不是起重机的金属结构正常的应力应变信号，而是由外界干扰引起的异常跳动点，奇异值对计算起重机的金属结构的构件的剩余寿命的影响较大，所以在进行应力历程数据处理时需提前剔除。

优选的，本发明中，所述将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除,是采用3σ准则对奇异值进行剔除，首先计算应力数据的平均值然后计算标准差σ，若残差的绝对值大于3σ即可判定此数据为奇异值然后剔除。

S102，识别前述奇异值剔除后数据中的非峰谷值并去除；

根据雨流计数的原理可知，雨流计数记录是峰谷出现的次数，所以为了减少计算时间，所以有必要对信号中的非峰谷值点进行识别和去除。剔除奇异值主要可以分为两步，一步是合并剔除连续等值点，另一步就是判断某点是否为峰值点，具体方法是将该点x_i与前后两点x_i+1，x_i-1分别求差，并以两个差的符号是否相同进行判断。对于非首尾点，如果有(x_i-x_i+1)(x_i-x_i-1)＞0，则可认为此点为峰值点，予以保留，对于首尾点直接认定为峰值点。

S103，对应变时间历程调整，保证处理后信号的首末端的两点值绝对值最大，使雨流计数过程得到的是完整循环；

由雨流计数后留下的数据点组成的波形是一个标准的发散收敛型波形，这样使得雨流计数无法形成完整的循环，需要再次计数。所以通常采取的办法就是在雨流计数之前对应变时间历程进行调整，保证处理之后的信号的首末端的两点值的绝对值最大，使得计数过程得到的全是完整的循环；

参见图9所示，在峰值绝对值最大处截断(前幅图中虚线处)，然后首尾相连构成新的载荷时间历程，然后进行雨流计数。

S104，将经过应变时间历程调整后只保留峰谷值的应力时间坐标系连同历程曲线顺时针旋转90度，利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取，并获得载荷谱；

本发明中，所述利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取的步骤如下，参见图10所示：

应力值从每个峰或谷的内侧向下落，形成雨流，雨流在流到峰值处竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值或最小值更正的最大值或更负的最小值为止，当下落的应力值遇到来自上层落下的应力值时停止下落，完成一个循环计数；

在雨流计数循环提取时，首先依次读取三个峰谷值点，然后进行一次计数判定，如果符合条件，则得到一个循环，得到应力幅值与应力均值，并将该循环的末端点赋给下一次循环判定的初始点；

如果不符合条件，就再向下连续读取三个峰谷值点进行评判，直到最终计数全部结束。

S105，在进行雨流计数之后即可获得载荷谱，采用Goodman曲线对雨流计数得到的应力幅值和应力均值进行等效转换，根据以下公式得到等效应力幅值；

其中，S_e为等效应力幅值，S_u为构件的强度极限，S_a、S_m为雨流计数提取的循环数的应力幅值、应力均值；

S106，统计等效应力对应的频次，结合构件在不同应力均值和不同应力幅值下的P-S-N曲线，根据Miner线性累积疲劳损伤理论计算结构的累积疲劳损伤：

其中，n_i为等效应力对应的频次，N_i为材料S-N曲线S应力对应下的寿命，然后计算构件的疲劳寿命T，T＝1/D，疲劳寿命T表示该上述载荷谱执行T次，构件将发生疲劳破坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算机通过无线动态应变采集模块获取固定时间内起重机金属结构的薄弱处的应变计采集的应变时间历程数据；

计算机按雨流计数法处理所述应变时间历程数据，计算出构件的累积疲劳损伤D，并根据该累积疲劳损伤D计算构件的疲劳寿命T。

2.根据权利要求1所述海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，其特征在于，所述雨流计数法的步骤如下：

将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除；

识别前述奇异值剔除后数据中的非峰谷值并去除；

对应变时间历程调整，保证处理后信号的首末端的两点值绝对值最大，使雨流计数过程得到的是完整循环；

将经过应变时间历程调整后只保留峰谷值的应力时间坐标系连同历程曲线顺时针旋转90度，利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取，并获得载荷谱；

采用Goodman曲线对雨流计数得到的应力幅值和应力均值进行等效转换，根据以下公式得到等效应力幅值；

$\frac{S_a}{S_e}+\frac{S_m}{S_u}=1\⇒S_e=\frac{S_u{S}_a}{S_u-S_m}$

其中，S_e为等效应力幅值，S_u为构件的强度极限，S_a、S_m为雨流计数提取的循环数的应力幅值、应力均值；

统计等效应力对应的频次，结合构件在不同应力均值和不同应力幅值下的P-S-N曲线,根据Miner线性累积疲劳损伤理论计算结构的累积疲劳损伤：

$D=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{D}_i=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{n}_i/N_i,(i=1,2,......,k)$

其中,n_i为等效应力对应的频次，N_i为材料S-N曲线S应力对应下的寿命，然后计算构件的疲劳寿命T，T＝1/D,疲劳寿命T表示该上述载荷谱执行T次，构件将发生疲劳破坏。

3.根据权利要求2所述海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，其特征在于，所述利用雨流计数法对应力幅值与应力均值进行循环数提取的步骤如下：

应力值从每个峰或谷的内侧向下落，形成雨流，雨流在流到峰值处竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值或最小值更正的最大值或更负的最小值为止，当下落的应力值遇到来自上层落下的应力值时停止下落，完成一个循环计数；

在雨流计数循环提取时，首先依次读取三个峰谷值点，然后进行一次计数判定，如果符合条件，则得到一个循环，得到应力幅值与应力均值，并将该循环的末端点赋给下一次循环判定的初始点；

如果不符合条件，就再向下连续读取三个峰谷值点进行评判，直到最终计数全部结束。

4.根据权利要求2所述海洋平台起重机金属结构的寿命评估方法，其特征在于，所述将所述应变时间历程数据中的奇异值进行剔除,是采用3σ准则对奇异值进行剔除，首先计算应力数据的平均值然后计算标准差σ，若残差的绝对值大于3σ即可判定此数据为奇异值然后剔除。