CN110596242A - 一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法，包括以下步骤：步骤1，基于加速度频响分析定位发生损伤的梁段；步骤2，记识别出的损伤梁段为Q_i，基于曲率模态进一步定位Q_i中发生损伤的板单元。

Description

一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法

技术领域

本发明涉及一种起重机安全检测技术，特别是一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法。

背景技术

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。及时发现结构早期局部细微损伤对科学评估在役起重机的健康状况具有重要意义。基于结构动力测试数据的损伤定位方法的关键在于测量参数的选取，常用的且对损伤灵敏度较高的参数有：结构固有频率、位移模态振型、应变模态振型和振型曲率。

桥式起重机主梁是一种大跨度三维钢结构，现有的采用直接定位的方法需要布置大量的传感器，不仅增加了损伤定位的成本且过程复杂、效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法，包括以下步骤：

步骤1，基于加速度频响分析定位发生损伤的梁段；

步骤2，记识别出的损伤梁段为Q_i，基于曲率模态进一步定位Q_i中发生损伤的板单元。

进一步地，步骤1具体过程包括：

步骤1.1，将起重机主梁沿横向划分为n个梁段并进行谐响应分析，以相邻梁段下盖板中心线上的n+1个节点为加速度频率响应输出点；

步骤1.2，以损伤发生前后各输出节点的加速度频响幅值a(f)的变化量为元素组成频响差值矩阵：

其中，n+1为输出节点数目，m为频段数目，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤1.3，仅加速度频响差值矩阵Δ每一列元素的最大值，记为M_i(f_j)，其它元素置为0，然后将得到的矩阵按行求和得到表示各节点加速度频响损伤的向量d_v，对得到的矩阵各行非零元素进行计数，计数结果用向量c

步骤1.4，获取损伤识别向量D

步骤1.5，D中最大值元素对应节点的位置为损伤发生的梁段。

进一步地，步骤2的具体过程包括：

步骤2.1，沿梁段的下盖板和左右腹板的对角线分别设置三组板单元曲率输出节点，其中下盖板记为B1，左右腹板分别记为B2、B3；

步骤2.2，对结构进行模态分析，提取输出节点在垂直盖板方向的前三阶模态位移数据，采用中心差分法计算三个板单元的节点曲率模态，计算公式如下：

式中，表示板单元B(i)的节点x的第k阶曲率，φ表示模态位移，l_(x-1,x)和l_(x,x+1)分别表示节点x和其相邻节点之间的距离；

步骤2.3，利用步骤2.2中的曲率数据，确定各板单元损伤前后输出点曲率变化率的平均值：

式中，DI表示平均曲率损伤因子，k为模态阶数，B(i)为板单元编号，n为曲率输出节点数目，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤2.4，确定步骤2.3中平均曲率损伤因子最大的板单元为损伤单元。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明采用层级递进策略并基于加速度频响分析和曲率模态法分别进行起重机主梁梁段级和板单元级损伤分析，最终定位局部损伤；与传统的直接定位损伤的方法相比在提高了定位精度的同时减少了传感器数目(输出节点数目)，不仅如此，本发明的计算过程简洁避免了大量的优化迭代过程便于损伤定位的工程应用。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法的技术流程图；

图2为梁段级损伤定位过程中加速度频率响应输出节点位置示意图；

图3为梁段级损伤定位结果示意图；

图4为板单元级损伤定位过程中曲率模态输出节点位置示意图；

图5为板单元级损伤定位结果示意图。

具体实施方式

本实施例的采用层级递进策略并基于加速度频响分析和曲率模态法分别进行起重机主梁梁段级和板单元级损伤定位的流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，基于加速度频响分析定位发生损伤的梁段：

步骤S1.1，将起重机主梁沿横向划分为13个梁段并进行谐响应分析，以相邻梁段下盖板中心线上的14个节点为加速度频率响应输出点，如图2所示；

步骤S1.2，以损伤发生前后各输出节点的加速度频响幅值a(f)的变化量为元素组成矩阵：

其中，f₁,f₂…f₅₅为加速度响应输出频段，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤S1.3，对S1.2中加速度频响差值矩阵Δ进行数据处理：

仅保留矩阵每一列元素的最大值，记为M_i(f_j)，其它元素置为0，然后将得到的矩阵按行求和得到表示各节点加速度频响损伤的向量d_v，同时，为了确定各输出节点加速度频响幅值变化量最大的次数，对得到的矩阵各行非零元素进行计数，计数结果用向量c表示，向量c和d形式如下：

步骤S1.4，定位损伤梁段：

将S1.3中向量c和d_v的对应元素相乘得到损伤识别向量：

通过D中最大值元素对应节点的位置可识别出损伤发生的梁段；

步骤S2，本实例识S1识别出的损伤梁段为Q₈，如图3所示，基于曲率模态进一步定位Q₈中发生损伤的板单元：

步骤S2.1，布置曲率输出节点：

梁段是由腹板、翼缘板和隔板组成的三维箱型结构，根据损伤案例统计数据确定腹板和下翼缘板为损伤发生的热点区域，为了提高板单元曲率模态对损伤的灵敏度，采用的节点布置方式为：沿梁段的下盖板(记为B1)和左右腹板(记为B2,B3)的对角线分别设置三组曲率输出节点，如图4所示。

步骤S2.2，对结构进行模态分析，提取输出节点在垂直盖板方向(y方向)的前三阶模态位移数据，采用中心差分法计算三个板单元的节点曲率模态，计算公式如下：

式中，表示板单元B(i)的节点x的第k阶曲率，φ表示模态位移，l_(x-1,x)和l_(x,x+1)分别表示节点x和其相邻节点之间的距离；

步骤S2.3，利用S2.2中的曲率数据，确定各板单元损伤前后输出点曲率变化率的平均值：

式中，DI表示平均曲率损伤因子，k为模态阶数，B(i)为板单元编号，n为曲率输出节点数目，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤S2.4，定位损伤板单元：

确定S2.3中平均曲率损伤因子最大的板单元为损伤单元，完成损伤定位。

本实例对基于结构前三阶曲率模态的定位结果进行了对比，结果如图5所示。

综上所述，本发明公开的一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法，采用层级递进策略并基于加速度频响分析和曲率模态法分别进行起重机主梁梁段级和板单元级损伤分析，最终定位局部损伤。本发明所需传感器数目较少且定位精度高，简洁的计算过程便于损伤定位的工程应用。

Claims (3)

1.一种桥式起重机主梁局部损伤定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于加速度频响分析定位发生损伤的梁段；

步骤2，记识别出的损伤梁段为Q_i，基于曲率模态进一步定位Q_i中发生损伤的板单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体过程包括：

步骤1.1，将起重机主梁沿横向划分为n个梁段并进行谐响应分析，以相邻梁段下盖板中心线上的n+1个节点为加速度频率响应输出点；

步骤1.2，以损伤发生前后各输出节点的加速度频响幅值a(f)的变化量为元素组成频响差值矩阵：

其中，n+1为输出节点数目，m为频段数目，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤1.3，仅加速度频响差值矩阵Δ每一列元素的最大值，记为M_i(f_j)，其它元素置为0，然后将得到的矩阵按行求和得到表示各节点加速度频响损伤的向量d_v，对得到的矩阵各行非零元素进行计数，计数结果用向量c

步骤1.4，获取损伤识别向量D

步骤1.5，D中最大值元素对应节点的位置为损伤发生的梁段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2的具体过程包括：

步骤2.1，沿梁段的下盖板和左右腹板的对角线分别设置三组板单元曲率输出节点，其中下盖板记为B1，左右腹板分别记为B2、B3；

步骤2.2，对结构进行模态分析，提取输出节点在垂直盖板方向的前三阶模态位移数据，采用中心差分法计算三个板单元的节点曲率模态，计算公式如下：

式中，表示板单元B(i)的节点x的第k阶曲率，φ表示模态位移，l_(x-1,x)和l_(x,x+1)分别表示节点x和其相邻节点之间的距离；

步骤2.3，利用步骤2.2中的曲率数据，确定各板单元损伤前后输出点曲率变化率的平均值：

式中，DI表示平均曲率损伤因子，k为模态阶数，B(i)为板单元编号，n为曲率输出节点数目，上标u和d表示结构分别处于无损伤和有损伤状态；

步骤2.4，确定步骤2.3中平均曲率损伤因子最大的板单元为损伤单元。