CN110059440A - 一种起重机疲劳分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于起重机疲劳数据处理技术领域，公开了一种起重机疲劳分析系统及分析方法，基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统；进行基于有限元仿真分析的起重机结构疲劳源定位及应力修正；将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全。本发明提出将实验、仿真及理论分析相结合，能反映被测起重机金属结构实际载荷历程和工况，能反映被测起重机真实薄弱环节及其对金属结构安全性的影响保证安全生产；可对使用单位合理制定起重机检修维护计划，节约大量人力、物力；尽量避免打乱生产节奏，提高生产效率。

Description

一种起重机疲劳分析系统及分析方法

技术领域

本发明属于起重机疲劳数据处理技术领域，尤其涉及一种起重机疲劳分析系统及分析方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

起重机械作为物料搬运、装卸或用于安装的机械设备，可以减轻或代替人们的体力劳动，提高劳动生产率。随着生产和技术的发展，起重机械已经由辅助设备发展为实现生产机械化、自动化不可缺少的设备，甚至成为流程生产中不容忽视的关键设备。起重机的生产效率和可靠性对生产产量和产品质量有着直接的影响。

随着现代科技的发展，对起重机械的金属结构提出了更加苛刻的要求，起重机在复杂的工作环境中不仅要有较高的承载能力，而且对制造的成本上也要做到减少原材料的使用，更要求起重设备的金属结构有更长的使用寿命。起重机的寿命在很大程度上取决于起重机金属结构的寿命，金属结构的安全性是整机可靠运行的重要指标。然而不管是塔式起重机、桥式起重机还是港口起重机，一旦发生坍塌事故，对工作人员的人身安全造成了巨大的威胁，也造成了重大的经济损失。我国拥有数以百万计的建筑起重机和大型港口起重机械，其中有一大批的服役期限已经超过了使用年限，这些起重机的金属结构在不同程度上出现了各种裂纹缺陷。2003到2006年期间，港机质检测试中心对大批量起重机检测数据表明，使用20年以上的起重机裂纹发生率接近九成，随着起重机使用时间越长，裂纹发生率增大，起重机金属结构往往会在低于安全状态许用应力的应力水平下发生疲劳失效。故对起重机金属结构的损伤进行评估以及寿命进行预测显得尤为重要和迫切。

目前对起重机械的结构评估建立在静态测量基础上，主要通过测量结构变形参量的安全状态。这种评估方式简单实用，可操作性强，得到广泛应用。但静态测量选取的仅部分测点，测试结果仅能反映起重机结构的整体状态，无法对起重机结构的关键部位进行评估。此外，静态测量是在输入指定的情况下进行的测试，不可能反映起重机结构在实际工作流程中的动态行为，例如超载、超负荷、工作时长等工况，而这些工况正是影响起重机结构寿命及安全的关键参量。

只有考虑起重设备结构在实际工作中的状态，获取其真实的载荷历程，获取结构关键部位的应力分布状态，结合合适的损伤模型，才能得出更准确地对结构疲劳寿命进行评估。结构的疲劳是一个相当复杂的问题，影响结构疲劳和剩余寿命的因素广泛，而绝大多数因素暂时还无法较好地从物理意义及数学模型上给予定量的描述。虽然在分析上已经积累了大量的理论和试验经验成果，但是疲劳试验中试验环境与实际工作环境之间存在较大差异，对起重机的金属结构疲劳损伤以及寿命预测缺乏较为完善的分析，不管是理论上还是规范的制定上都还有较大的缺陷和空白。分析一种能反映起重机金属结构在真实生产状态下的结构疲劳失效分析方法，并在此基础上对结构安全进行评估显得尤为必要。

(二)国内外同类分析的情况：

1)起重机金属结构疲劳失效分析现状：

起重机结构的疲劳失效和静强度破坏有着本质的区别，静强度破坏是由于结构或零件的最大应力或者变形超过了材料的极限应力或最大残余变形，最终导致破坏断裂，而疲劳失效时的应力远小于材料的抗拉极限，甚至还远小于材料的屈服应力。疲劳失效是一个积累损伤的过程，需要反复载荷的作用下才会发生，一般时间历程较长。而疲劳失效断口上一般无明显的塑性变形，表现为脆断。目前，针对起重机金属结构疲劳失效相关分析主要集中在以下几方面：

2)起重机结构的抗疲劳设计

在以往简单的抗疲劳设计中，往往采用的是无限寿命设计，也即要求产品永远不会发生疲劳失效。根据材料的S-N曲线，只要将工作应力保持在疲劳极限以下，理论上就可以达到无限疲劳寿命。典型的结构钢S-N曲线中的水平段表示在极限应力下寿命将为无限，采用此设计准则往往会导致设备过于笨重，也往往造成材料的浪费和成本的提高。当前在一些对自重要求较高的结构中，采用的是有限寿命设计准则，此准则要求结构在设计的寿命内能够安全的使用，允许工作载荷超过材料的疲劳极限，并具有较好的经济性^[1]。此理论简单，应用广泛，但是有缺陷。损伤容限设计准则是根据断裂力学的观点，采用裂纹控制措施，允许机构或者结构出现一定程度的裂纹，但要保证在下一次检查前能安全，对于起重机结构而言，此方法尚在探索中。当今广泛应用的抗疲劳设计方法主要有名义应力法、局部应力应变法、损失容限设计法以及概率疲劳设计法。

3)疲劳裂纹扩张速率的分析

当起重机结构由于初始制造缺陷或者使用一段时间导致损伤后，裂纹的扩展快慢成为了工程中所关心的问题。裂纹扩展速率即是衡量裂纹扩展的一个直观的参数，裂纹扩展速率的影响因素很多，如应力强度因子幅值、应力比、加载的频率、温度等其他环境因素。实验证明，裂纹生长速率不是只与裂纹的应力强度因子SIF有关，影响因素更大的是裂纹应力强度因子幅值ΔK。1963年Paris-Ergodan提出了Paris定律，认为裂纹扩展速率与应力强度因子幅度成幂关系。此外，除了ΔK外如循环应力的平均应力、应力循环过程中的偶然加载、加载环境和材料本身的性能特征等因素对裂纹扩展的速率有重要的影响，从不同的角度分析后，提出了一些对Paris公式进行修正的公式^[5]，如Walker公式、Forman公式、Hartman公式等。

4)疲劳损伤积累理论

结构的疲劳过程可以看成是一个损失慢慢接近临界损失值的积累过程，也是材料固有寿命消耗的过程，每一次交变载荷对构件产生的影响可以看成是对损伤的一次积累，损伤的不断积累最终导致构件破坏。为此，提出了大量的积累假设理论，大致可以分为线性、非线性和双线性等。

线性积累损伤理论最典型的就是Miner理论，该理论中假设每一个交变载荷对构件的疲劳损伤量只与大小有关，不管是萌生还是扩展阶段的裂纹，都是线性叠加的。Miner线性积累损伤可以表示为：

式中：n_i—应力S_i的实际循环次数

N_i—材料p-S-N曲线上对应于应力S_i的循环次数

Miner法则假设积累损伤达到1时，构件发生破坏，当小于1时，可以推算出构件的疲劳寿命。Miner理论是目前广泛应用的疲劳寿命预测方法，主要原因因为其简洁明了，应用方便，而且与实验也有较好的符合。由于考虑的因素较少，也表现出了一些不足之处，没有考虑疲劳极限以下的载荷对裂纹成形和扩展的影响，特别在微裂纹已经形成时，小载荷的作用变得明显；没有考虑加载顺序的影响，当加载顺序为由低到高时，其寿命的损伤积累总和往往大于1，反之，往往小于1。

由于线性累积损伤定律不够精确，因而N.M.纽马克、S.M.马科和D.韦伯等人曾经提出，损伤D与循环次数比n/N具有幂指数律关系；另一种由H.T科尔顿和T.J.多兰提出的非线性累积损伤理论认为：在试样表面的许多地方可能出现损伤，损伤核的数目m由材料所承受的应力水平决定。在给定的应力作用下所产生的疲劳损伤D，可用表示为：D＝mrn^α

式中：α―常数；m―损伤核的数目；r―损伤系数；n―给定应力的循环数。

线性积累损伤简单但是有误差，非线性损伤积累更加反映实际但是又比较复杂，因此，提出了一种双线性疲劳损伤积累理论。双线性理论把裂纹的形成和扩展阶段区分为两个阶段，分别用连续的两条直线表示。

5)载荷统计方法

在工作状态下，疲劳载荷是随机的，必须对其采取统计方法加以分析。随机载荷主要有功率谱法和循环计数法两种统计方法。

功率谱法使用给出载荷幅值的均方值随其出现频次(频率)的分布即载荷的功率密度函数的方法来描述随机载荷过程。对随机载荷，利用傅里叶变换，将复杂的随机载荷分解为有限个具有各种频率的简谐变化之和，以获得功率密度函数。它是一种较精确、严密的统计方法，能保留载荷历程的全部信息。但是，由于循环计数法计数方法比功率谱法要简单、快捷，而且能反映载荷的特征，所以在大多数工程上的疲劳强度设计与疲劳寿命计算中，还是采用循环计数法。

循环计数法就是将应力-时间历程处理为一系列的全循环或半循环的过程。它可以分为两大类：单参数计数法和双参数计数法。单参数计数法只纪录载荷谱的一个参量，如峰值或范围，不能给出循环的全部信息。属于这种计数法的有：峰值计数法，范围计数法，穿级计数法等。双参数计数法可以记录载荷循环中的两个参量。由于载荷循环中只有两个独立变量，因此，双参数计数法可以记录载荷循环的全部信息，是比较好的计数法。属于双参数计数法的有：范围对计数法，雨流计数法，跑道计数法等。凡是好的计数法都必须计入一个从最高峰值到最低峰值的范围最大的循环，在计入其它循环时，也总是力求使计入的范围达到最大。范围对法，雨流法和跑道法均能满足上述要求。其中由于雨流计数法结果与材料的应力-应变特性相一致，有更可靠的力学基础，故近年来在国内外被公认为是最先进的计数法，并得到日益广泛的重视和运用。

6)起重机疲劳寿命预测方法

国外近年来对起重机的疲劳分析主要集中在几个方面，第一，通过对由疲劳引起的起重机事故，运用有限元及断裂力学理论进行分析，从而提出对产品的抗疲劳设计给出了建议。第二，对桥式起重机或者门式起重机的箱型大梁运用有限元^[9-10]进行分析，检测裂纹尺寸，根据疲劳裂纹扩展速率公式^[11-12]对起重机的疲劳寿命进行预测。

纵观起重机疲劳损伤分析和寿命预测的近年文献，可以看出起重机疲劳寿命预测的方法集中在两个方面。第一，对起重机结构进行有限元分析，确定易于发生疲劳裂纹的位置，根据这些局部位置的载荷情况，运用疲劳寿命预测软件，如Ansys中的Fatigue模块或者FE-Safe等，基于材料的S-N曲线，经过一系列的处理转换，得到实际工况下的S-N曲线，从而实现对疲劳寿命的预测和分析。第二，基于断裂力学理论，根据不同的裂纹速率扩展模型，对起重机疲劳损伤处进行寿命预测。基于S-N曲线的疲劳寿命预测方法，由于其使用简单方便等优点，较易于应用到实际工程中，然而此方法的前提条件是寿命预测对象大量疲劳实验绘制得到的S-N曲线，这个在起重机行业中是相当缺乏的。目前为止，起重机结构的S-N曲线尚缺，只能通过起重机金属结构的常用材料Q235B和Q345B的材料S-N曲线，针对不同的结构应力集中系数，不同的应力状态进行插值。而且，此方法中没有考虑载荷的顺序影响，然而对于疲劳裂纹的寿命，历史载荷情况对于总体寿命的影响很大。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)结构裂纹的应力强度因子是一个重要的参量。对于不同的起重机零部件和结构，以及不同的裂纹形式，如直裂纹、斜裂纹、穿透裂纹或者表面裂纹等，并没有看见类似的分析和文献。所有的应力强度因子表示为形状系数的函数，形状系数取值一般为1.1-1.5，显然这是不够合理的，因为形状系数是随着裂纹长度的变化而变化的，而裂纹长度变化又与负载大小、历程、起重机结构及裂纹位置有密切关系。这导致应用断裂力学理论进行起重机疲劳失效分析及安全评估还无法推广至工业应用。

(2)起重机疲劳载荷谱的建立直接关系到能否准确的预测疲劳寿命，文献中对起重机疲劳载荷谱的建立很少，徐格宁等人运用神经网络的方法得到了当量载荷谱，但是对于不同种类的起重机，由于其工作场合的不同，载荷谱不存在通用性，因此对起重机的载荷谱的建立也极为迫切。

(3)传统的方法是采用材料力学的理论找出应力最大部位，这样不符合实际情况，精确度不高。采用有限元法，可针对起重机结构整体、载荷、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析。对完成复杂结构的分析，可将主梁作为一个整体框架计算，并可分别进行静力和动力分析。对于大型金属构件的特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析，采用有限元法更具有优越性。其在近几十年得到广泛应用。但有限元法计算结果依赖于仿真模型、单元类型、边界条件等诸多因素，其计算结果准确性难以得到保证。

要分析一套可行的、操作性强、实施方便的起重机金属结构疲劳失效及安全评估方法必须综合解决以下因素：

编制能准确反映被测起重机工作历程和载荷历程的载荷谱；

准确找出起重机金属结构中薄弱环节，该薄弱环节不是材料力学和理论力学理论分析的部位，而应是综合考虑结构形式、材料、尺寸、联接(如焊接、螺栓联接或铆接等)和受力状态的薄弱环节；

考虑低于疲劳极限应力循环对金属结构寿命的影响。上述问题是现有技术不能克服的困难所在。

解决上述技术问题的意义：

结构的疲劳是一个相当复杂的问题，影响结构疲劳和剩余寿命的因素广泛，而绝大多数因素暂时还无法较好地从物理意义及数学模型上给予定量的描述。虽然在研究上已经积累了大量的理论和试验经验成果，但是疲劳试验中试验环境与实际工作环境之间存在较大差异，对起重机的金属结构疲劳损伤以及寿命预测缺乏较为完善的研究，不管是理论上还是规范的制定上都还有较大的缺陷和空白。研究一种能反映起重机金属结构在真实生产状态下的结构疲劳失效分析方法，并在此基础上对结构安全进行评估显得尤为必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种起重机疲劳分析系统及分析方法。

本发明是这样实现的，一种起重机疲劳分析方法，所述起重机疲劳分析方法包括：

步骤一，基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统；

步骤二，进行基于有限元仿真分析的起重机结构疲劳源定位及应力修正；

步骤三，将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全。

进一步，步骤一中，起重机金属结构静态与动态测试方法包括：

对起重机载荷量、加载特点，对静态测试中涉及的应力测点位置、应力传感器选择、测试流程进行分析；编制反映被测起重机真实载荷历程的载荷谱，对起重机动态进行测试。

以桥式起重机金属结构为研究对象，按照结构形式划分为2梁和4梁桥式起重机，综合考虑典型起重机载荷量、加载特点，对静态测试中涉及的应力测点位置、应力传感器选择、测试流程等进行研究。具体如下：

1)应力测点选择在经典材料力学确定的危险部位(通常为跨中下盖板及主腹板端部)；并根据各测点部位的主应力分布情况设置应力传感器类型；

2)静态测试含空载测试(零点工况)和满载测试，根据静态测试结果可分析起重机结构的动态特性及验证仿真模型合理性；

3)静态测试完成后，在起重机正常工作状态下进行跟班(8小时为一班)动态测试，获取准确载荷谱。

进一步，步骤二中，起重机结构有限元仿真方法包括：

分析典型起重机结构有限元建模方法、单元选取方法、边界条件给定方法；结合现场测试结果，分析有限元分析结果准确性评估体系；进行基于有限元分析的典型起重机结构薄弱环节或疲劳源确定准则及其应力修正。

1)建立分析对象有限元分析模型，将仿真结果与静态测试结果对比，直到仿真模型合理性得到验证；

2)根据有限元分析结果建立结构薄弱环节的随机载荷谱；

3)对典型起重机结构的疲劳损伤累积理论选取准则进行研究，初步拟采用经典的线性累计损伤理论；

4)对起重机结构关键部位的疲劳寿命评估方法进行研究，并编制相应软件。

进一步，步骤三中，典型起重机载荷谱编制方法包括：

根据典型起重机工作流程、动态测试和有限元仿真分析结果，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则；编写载荷谱智能编制程序。

把真实载荷时间历程经循环计数建立的载荷分布、载荷顺序效应和载荷相互作用效应定为原始载荷谱的三个损伤特征参量。新编制的载荷谱这三个损伤特征参量与原谱一致，则认为二个谱损伤等效。在已知原谱的三个损伤特征参量条件下，新编谱时：

1)建立载荷循环峰谷值矩阵。

2)第二步建立与原谱载荷顺序效应等同的疲劳谱，可以利用不同的载荷插入方式，直到载荷顺序效应评价满足要求为止。

3)是最终疲劳谱的建立。在满足载荷顺序效应后，在插入规则不变的条件下变换随机数列，重新建谱，然后与载荷相互作用效应参量值对比，直到满足要求为止。

进一步，步骤三中，起重机疲劳失效分析和安全评估方法包括：

根据有限元分析结果和随机载荷谱，对典型起重机结构的疲劳损伤累积理论选取准则进行分析；对起重机结构关键部位的疲劳寿命评估方法进行分析；结合疲劳寿命评估结果和静态测试数据，对起重机金属结构的安全性评价参数和准则进行分析。

本发明中桥式起重机的金属结构疲劳评估是建立在检测对象危险部位的真实载荷谱基础上的，危险部位的应力应变参量是必须检测的物理量。因此需开发的桥式起重机金属结构疲劳寿命预测的离线检测解决方案，以简化检测人员工作量。信号采集模块主要包括起重设备金属结构应力水平、关键零部件的振动、温度等物理量；根据发明的实际需要，也可以测(读)取起升高度、电动机电流、同一跨两台起重机间距、环境风速、大车运行偏斜度等物理量。信号分析模块则在采集的电信号转化为对应的物理量的基础上，对信号进行特征量的提取及存储，方便技术人员直观读取及调用；同时，系统设置安全阈值，当某一物理量超出安全阈值时系统给出实时报警，提示检测人员第一时间组织人员采取相应措施。安全性能评估模块根据设备固有结构参数以及测取(当前的和历史的)物理信号，给出检测对象的安全监管报告，监管人员根据起重机监测的实际使用数据，定期对其安全状况进行综合评估。该解决方案包括：

1)测点选择及传感器选型指引；

2)应力应变测量及数据采集系统；

3)疲劳寿命评估系统。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述起重机疲劳分析方法的起重机疲劳分析系统，所述起重机疲劳分析系统包括：

起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统，用于基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，进行起重机结构随机疲劳寿命智能评估；

起重机结构疲劳源定位及应力修正系统，用于进行基于有限元仿真分析，进行起重机结构疲劳源定位及应力修正；

起重机载荷谱编制系统，用于将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则；

起重机疲劳失效分析和安全评估系统，用于采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述起重机疲劳分析方法的起重机疲劳分析设备。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提出一套通用可行的、操作性强、实施方便、结果准确的起重机金属结构疲劳失效及安全评估方法。该方法将实验、仿真及理论分析相结合，能反映被测起重机金属结构实际载荷历程和工况，能反映被测起重机真实薄弱环节及其对金属结构安全性的影响(剩余疲劳寿命)，保证安全生产。可对使用单位合理制定起重机检修维护计划，节约大量人力、物力；尽量避免打乱生产节奏，提高生产效率。

本发明解决了起重机金属结构疲劳失效的寿命评估系统，将现场实测、仿真分析和理论分析方法相结合，进行通用可行的、操作性强、实施方便、结果准确的起重机金属结构疲劳失效分析及安全评估。

本发明将基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，和基于有限元仿真分析的起重机结构疲劳源定位及应力修正算法，将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，采取分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全进行评估。建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统。

本发明嵌入起重机结构在线监测系统，填补了国内外空白，可对重要起重机金属结构进行实时疲劳失效分析和安全评估。

本发明取得了预料不到的技术效果，可对起重机重要金属结构进行实时在线监测和寿命的评估。远期该发明研究成果嵌入起重机物联网，可对重要起重机金属结构进行实时疲劳失效分析和安全评估。

本发明在商业上获得成功，已在温州市特种设备检测研究院得到了很好的应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的起重机疲劳分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的起重机疲劳分析示意图。

图中：1、起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统；2、起重机结构疲劳源定位及应力修正系统；3、起重机载荷谱编制系统；4、起重机疲劳失效分析和安全评估系统。

图3是本发明实施例提供的起重机疲劳失效分析和安全评估系统框架图。

图4是本发明实施例提供的起重机金属结构仿真分析图。

图5是本发明实施例提供的技术服务合同图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结构裂纹的应力强度因子是一个重要的参量。对于不同的起重机零部件和结构，以及不同的裂纹形式，如直裂纹、斜裂纹、穿透裂纹或者表面裂纹等，并没有看见类似的分析和文献。所有的应力强度因子表示为形状系数的函数，形状系数取值一般为1.1-1.5，显然这是不够合理的，因为形状系数是随着裂纹长度的变化而变化的，而裂纹长度变化又与负载大小、历程、起重机结构及裂纹位置有密切关系。这导致应用断裂力学理论进行起重机疲劳失效分析及安全评估还无法推广至工业应用。

起重机疲劳载荷谱的建立直接关系到能否准确的预测疲劳寿命，文献中对起重机疲劳载荷谱的建立很少，徐格宁等人运用神经网络的方法得到了当量载荷谱，但是对于不同种类的起重机，由于其工作场合的不同，载荷谱不存在通用性，因此对起重机的载荷谱的建立也极为迫切。

传统的方法是采用材料力学的理论找出应力最大部位，这样不符合实际情况，精确度不高。采用有限元法，可针对起重机结构整体、载荷、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析。对完成复杂结构的分析，可将主梁作为一个整体框架计算，并可分别进行静力和动力分析。对于大型金属构件的特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析，采用有限元法更具有优越性。其在近几十年得到广泛应用。但有限元法计算结果依赖于仿真模型、单元类型、边界条件等诸多因素，其计算结果准确性难以得到保证

为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

在本发明中，不同的起重机有着不同的金属结构，如何根据结构及载荷条件选取合适的应力传感器类型及其放置位置是本发明要解决的关键问题之一，其合理性决定了有限元分析结果的准确性和随机载荷谱的准确性。

不同起重机金属结构有限元分析时边界约束的选择是本发明要解决的关键问题之二。它是决定仿真分析结果准确性的主要因素，否则仿真结果很难与实测结果对应，进而影响起重机疲劳失效分析的准确性。

不同的起重机有不同的载荷加载顺序和载荷循环特点。如何根据这些因素选取合适的载荷谱编制方法是本发明要解决的关键问题之三。

针对上述问题，本发明采取的方案为：

如图1所示，本发明实施例提供的起重机疲劳分析方法，包括：

S101，基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统。

S102，进行基于有限元仿真分析的起重机结构疲劳源定位及应力修正。

S103，将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全。

在本发明实施例中，步骤S101中，典型起重机金属结构静态与动态测试方法包括：

起重机结构静态检测主要检查其结构尺寸参数，如下挠度、旁弯度、框架等，还未涉及结构应力水平及分布测量。而应力参数是最能直接表征起重机结构安全状况的参数。综合考虑典型起重机载荷量、加载特点，对静态测试中涉及的应力测点位置、应力传感器选择、测试流程等进行分析。为编制反映被测起重机真实载荷历程的载荷谱，对典型起重机动态测试流程进行分析。

在本发明实施例中，步骤S102中，典型起重机结构有限元仿真方法包括：

有限元仿真分析方法已在起重机健康状态评估中得到广泛应用。但很少有有限元分析能真实反映起重机完整工作流程中各阶段应力状态和应力水平，其计算结果准确性尚无统一验证标准。分析典型起重机结构有限元建模方法、单元选取方法、边界条件给定方法；结合现场测试结果，分析有限元分析结果准确性评估体系；分析基于有限元分析的典型起重机结构薄弱环节或疲劳源确定准则及其应力修正算法。

在本发明实施例中，步骤S103中，典型起重机载荷谱编制方法包括：

根据典型起重机工作流程、动态测试和有限元仿真分析结果，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则；针对性的随机载荷谱编制方法，编写载荷谱智能编制程序。

在本发明实施例中，步骤S103中，典型起重机疲劳失效分析和安全评估方法包括：

根据有限元分析结果和随机载荷谱，对典型起重机结构的疲劳损伤累积理论选取准则进行分析；对起重机结构关键部位的疲劳寿命评估方法进行分析；结合疲劳寿命评估结果和静态测试数据，对起重机金属结构的安全性评价参数和准则进行分析。

如图2所示，本发明实施例提供的起重机疲劳分析系统，包括：

起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统1，用于基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，进行起重机结构随机疲劳寿命智能评估。

起重机结构疲劳源定位及应力修正系统2，用于进行基于有限元仿真分析，进行起重机结构疲劳源定位及应力修正。

起重机载荷谱编制系统3，用于将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则。

起重机疲劳失效分析和安全评估系统4，用于采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全(如图3)。

本发明实施例提供一种起重机疲劳分析设备。

图4是本发明实施例提供的评估系统框架图。

图5是本发明实施例提供的技术服务合同图。

下面结合具体效果对本发明作进一步描述。

本发明于2017年3月经“科学技术情报分析所”进行了查新。在所查国内公开文献中，虽然已有一些关于起重机械结构疲劳失效分析与安全评估分析的相关报道，但都是针对某一类型的起重机械的结构疲劳进行分析分析，并未见有起重运输机械类结构疲劳失效的系统地综合分析与安全评估分析并编制载荷谱的公开文献报道。

本发明主要特点有：将基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统。

开发基于有限元仿真分析的起重机结构疲劳源定位及应力修正算法。

将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，采取分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全进行评估。

本发明可推动起重机械安全稳定运转，避免重特大安全生产事故，使起重机械用户平安、健康工作与生活，民心稳定，促进社会安定，建立人与机器的和谐关系，增强地方经济的可持续发展。

本发明能扩大起重机械的应用范围，推动起重机械工作环境的不断改善，使起重机械作业的环境质量逐步转好。

本发明为区内外完成各种类型的起重机金属结构疲劳失效及安全评估约160项，年新增产值约800万元，年新增利税256万元，其中：年缴税136万元，年纯利润约120万元。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起重机疲劳分析方法，其特征在于，所述起重机疲劳分析方法包括：

步骤一，利用作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，建立起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统；

步骤二，利用有限元仿真分析进行起重机结构疲劳源定位及应力修正；

步骤三，将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，并利用分段线性损伤累积理论进行评估结构疲劳寿命和安全。

2.如权利要求1所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，步骤一中，起重机金属结构静态与动态测试方法包括：

对起重机载荷量、加载特点，对静态测试中涉及的应力测点位置、应力传感器选择、测试流程进行分析；编制反映被测起重机真实载荷历程的载荷谱，对起重机动态进行测试。

3.如权利要求2所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，起重机金属结构静态与动态测试方法进一步包括：

1)应力测点选择经典材料力学确定的危险部位；并根据各测点部位的主应力分布情况设置应力传感器类型；

2)静态测试含空载测试和满载测试，根据静态测试结果分析起重机结构的动态特性及验证仿真模型；

3)静态测试完成后，在起重机正常工作状态下进行动态测试，获取准确载荷谱。

4.如权利要求1所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，步骤二中，起重机结构有限元仿真方法包括：

分析典型起重机结构有限元建模方法、单元选取方法、边界条件给定方法；结合现场测试结果，分析有限元分析结果准确性评估体系；进行基于有限元分析的典型起重机结构薄弱环节或疲劳源确定准则及其应力修正。

5.如权利要求4所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，起重机结构有限元仿真方法进一步包括：

1)建立分析对象有限元分析模型，将仿真结果与静态测试结果对比，并进行仿真模型验证；

2)根据有限元分析结果建立结构薄弱环节的随机载荷谱；

3)对典型起重机结构的疲劳损伤累积理论选取准则进行选择；

4)对起重机结构关键部位的疲劳寿命评估方法编制相应软件。

6.如权利要求1所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，步骤三中，典型起重机载荷谱编制方法包括：

根据典型起重机工作流程、动态测试和有限元仿真分析结果，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则；编写载荷谱智能编制程序。

7.如权利要求6所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，典型起重机载荷谱编制方法进一步包括：把真实载荷时间历程经循环计数建立的载荷分布、载荷顺序效应和载荷相互作用效应定为原始载荷谱的三个损伤特征参量；新编制的载荷谱三个损伤特征参量与原谱一致，则二个谱损伤等效；在已知原谱的三个损伤特征参量条件下，新编谱时需进行：

1)建立载荷循环峰谷值矩阵；

2)建立与原谱载荷顺序效应等同的疲劳谱，利用不同的载荷插入方式，直到载荷顺序效应评价满足要求；

3)最终疲劳谱的建立，在满足载荷顺序效应后，在插入规则不变的条件下变换随机数列，重新建谱，然后与载荷相互作用效应参量值对比，直到满足要求。

8.如权利要求1所述的起重机疲劳分析方法，其特征在于，步骤三中，起重机疲劳失效分析和安全评估方法包括：

根据有限元分析结果和随机载荷谱，对典型起重机结构的疲劳损伤累积理论选取准则进行分析；对起重机结构关键部位的疲劳寿命评估方法进行分析；结合疲劳寿命评估结果和静态测试数据，对起重机金属结构的安全性评价参数和准则进行分析。

9.一种实施权利要求1所述起重机疲劳分析方法的起重机疲劳分析系统，其特征在于，所述起重机疲劳分析系统包括：

起重机结构随机疲劳寿命智能评估系统，用于基于作业流程的静态测试与随机动态测试相结合，进行起重机结构随机疲劳寿命智能评估；

起重机结构疲劳源定位及应力修正系统，用于进行基于有限元仿真分析，进行起重机结构疲劳源定位及应力修正；

起重机载荷谱编制系统，用于将低于疲劳极限的载荷循环计入载荷谱，分析起重机金属结构中编制随机载荷谱部位的选取准则；

起重机疲劳失效分析和安全评估系统，用于采用分段线性损伤累积理论评估结构疲劳寿命和安全。

10.一种实施权利要求1所述起重机疲劳分析方法的起重机疲劳分析设备。