CN110954349A - 一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法 - Google Patents

一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，包括如下步骤：S1、确定起重机结构易损伤的区域；S2、基于X射线的关键区域残余应力实时采集；S3、固定时间节点的残余应力密集度计算；S4、固定时间节点的残余应力畸变率计算；S5、起重机结构健康状态判量的计算。该方法检测精度高，可实时、高效地实现起重机结构健康状态的评估。

Description

一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法
技术领域
本发明涉及起重机结构状态监测方法，特别涉及一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法。
背景技术
当前工业生产中安全生产问题的越来越被强化，起重机的运行安全性问题越来越受到社会的关注。起重机因其吨位大，工作环境恶劣，微小的故障就有可能会造成巨大的伤害，所以对起重机结构的安全状态进行实时监测是必要且紧迫的。起重机的健康状态监测方法有很多种，但大多集中在通过单一应力与损伤力学模型结合来实现整体起重机健康状态的评估，但由于实际工况下的起重机损伤机理比较复杂，单一通过宏观指标来进行安全监测会很多局限性，准确性不高，检测效率低。如何从更细尺度的内部残余应力出发来对起重机健康状态进行监测是目前这一研究领域存在的共性问题。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种检测精度高的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法。
技术方案：本发明提供一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，包括如下步骤：
S1、确定起重机结构易损伤的区域；
S2、基于X射线的关键区域残余应力实时采集；
S3、固定时间节点的残余应力密集度计算；
S4、固定时间节点的残余应力畸变率计算；
S5、健康状态判量的计算。
进一步地，所述步骤S1中确定起重机结构易损伤的区域后，对相应的焊缝结构区域进行标记。
进一步地，所述步骤S2中在易损伤的区域布置X射线残余应力测量装置，分别实时采集每个损伤区域的X、Y、Z三个方向的残余应力值，即：σriqx、σriqy、σriqz，
然后按式(1)对三向残余应力进行合成，即可得到每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq，
Figure BDA0002293218790000011
其中，σriq为在q时刻第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；σriqx为在q时刻第i个损伤区域所对应的X方向残余应力值；σriqy为在q时刻第i个损伤区域所对应的Y方向残余应力值；σriqz为在q时刻第i个损伤区域所对应的Z方向残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；i为损伤区域的编号，i＝1.2.3....N，N为损伤区域的全部个数。
进一步地，所述步骤S3中将确定的每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq，代入下式对固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度值
Figure BDA0002293218790000021
进行计算，
Figure BDA0002293218790000022
其中，tm为固定时间节点的时间值；m为时间节点编号，取值区间为1，2，3…；
Figure BDA0002293218790000023
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度；
Figure BDA0002293218790000024
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；q为时间；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。
进一步地，所述步骤S4中根据各损伤区域的残余应力密集度，代入下式对固定时间节点tm的残余应力畸变率进行计算，
Figure BDA0002293218790000025
其中，
Figure BDA0002293218790000026
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure BDA0002293218790000027
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure BDA0002293218790000028
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；
Figure BDA0002293218790000031
为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的平均值，
Figure BDA0002293218790000032
进一步地，所述步骤S5中根据固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率
Figure BDA0002293218790000033
对在固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量H进行计算，
Figure BDA0002293218790000034
Figure BDA0002293218790000035
其中，H为固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量；Hi为固定时间节点tm时起重机第i个损伤区域的健康状态判量；S(Hi)max为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最大值；S(Hi)min为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最小值；N为损伤区域的个数；
Figure BDA0002293218790000036
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure BDA0002293218790000037
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure BDA0002293218790000038
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最小值；
Figure BDA0002293218790000039
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最大值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。
以上α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值优选为1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值优选为0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值优选为0.9。
有益效果：本发明方法中的残余应力作为能够体现起重机内部能量的一项重要指标，其实时畸变率更能够体现起重机结构在外载作用下的内部能量变化过程，也更能够体现实时工况条件下起重机的健康状态。本发明方法可以实现工况条件下起重机结构健康状态的监测，并从微观残余应力实时递进效应的角度出发来对起重机内部能量的变化过程进行预测，实现起重机健康状态的参数监测，从而避免了通过传统阈值判据或断裂力学模型来评判整体起重机健康状态的局限性，更有效地提高起重机健康状态检测的准确性与效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，包括以下步骤：
S1.确定起重机结构易损伤的区域：
根据经验确定起重机结构的常见易损伤区域，并在相应的焊缝结构区域进行标记，以便后续残余应力分布的实时采集；
S2.基于X射线的关键区域残余应力实时采集：
在S1的基础上，对常见损伤区域布置X射线残余应力测量装置来实时分别采集每个损伤区域的X、Y、Z三个方向的残余应力值，即：σriqx、σriqy、σriqz。
然后按式(1)对三向残余应力进行合成，即可得到每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq。
Figure BDA0002293218790000041
其中，σriq为在q时刻第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；σriqx为在q时刻第i个损伤区域所对应的X方向残余应力值；σriqy为在q时刻第i个损伤区域所对应的Y方向残余应力值；σriqz为在q时刻第i个损伤区域所对应的Z方向残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；i为损伤区域的编号，i＝1.2.3....N，N为损伤区域的全部个数。
S3.固定时间节点的残余应力密集度计算：
根据S2中确定的每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq，代入下式对固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度值
Figure BDA0002293218790000051
进行计算。
Figure BDA0002293218790000052
其中，tm为固定时间节点的时间值；m为时间节点编号，取值区间为1，2，3…；
Figure BDA0002293218790000053
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度；
Figure BDA0002293218790000054
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；q为时间；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。
S4.固定时间节点的残余应力畸变率计算：
根据S3中各损伤区域的残余应力密集度，代入下式对固定时间节点tm的残余应力畸变率进行计算。
Figure BDA0002293218790000055
其中，
Figure BDA0002293218790000056
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure BDA0002293218790000057
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure BDA0002293218790000058
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；
Figure BDA0002293218790000061
为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的平均值，
Figure BDA0002293218790000062
S5.健康状态判量的计算：
根据S4中固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率
Figure BDA0002293218790000063
对在固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量H进行计算。
Figure BDA0002293218790000064
Figure BDA0002293218790000065
其中，H为固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量；Hi为固定时间节点tm时起重机第i个损伤区域的健康状态判量；S(Hi)max为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最大值；S(Hi)min为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最小值；N为损伤区域的个数；
Figure BDA0002293218790000066
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure BDA0002293218790000067
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure BDA0002293218790000068
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最小值；
Figure BDA0002293218790000069
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最大值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。

Claims (6)

1.一种基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、确定起重机结构易损伤的区域；
S2、基于X射线的关键区域残余应力实时采集；
S3、固定时间节点的残余应力密集度计算；
S4、固定时间节点的残余应力畸变率计算；
S5、健康状态判量的计算。
2.根据权利要求1所述的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤S1中确定起重机结构易损伤的区域后，对相应的焊缝结构区域进行标记。
3.根据权利要求2所述的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤S2中在易损伤的区域布置X射线残余应力测量装置，分别实时采集每个损伤区域的X、Y、Z三个方向的残余应力值，即：σriqx、σriqy、σriqz，
然后按式(1)对三向残余应力进行合成，即可得到每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq，
Figure FDA0002293218780000011
其中，σriq为在q时刻第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；σriqx为在q时刻第i个损伤区域所对应的X方向残余应力值；σriqy为在q时刻第i个损伤区域所对应的Y方向残余应力值；σriqz为在q时刻第i个损伤区域所对应的Z方向残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；i为损伤区域的编号，i＝1.2.3....N，N为损伤区域的全部个数。
4.根据权利要求3所述的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤S3中将确定的每个损伤区域的实时综合残余应力值σriq，代入下式对固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度值
Figure FDA0002293218780000012
进行计算，
Figure FDA0002293218780000013
其中，tm为固定时间节点的时间值；m为时间节点编号，取值区间为1，2，3...；
Figure FDA0002293218780000014
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力密集度；
Figure FDA0002293218780000021
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；q为时间；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。
5.根据权利要求4所述的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤S4中根据各损伤区域的残余应力密集度，代入下式对固定时间节点tm的残余应力畸变率进行计算，
Figure FDA0002293218780000022
其中，
Figure FDA0002293218780000023
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure FDA0002293218780000024
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure FDA0002293218780000025
为在固定时间节点tm时第i个损伤区域所对应的综合残余应力值；α为起重机结构所对应的X向残余应力晶向适配系数，取值区间为1.035-1.15；β为起重机结构所对应的Y向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.855-0.95；γ为起重机结构所对应的Z向残余应力晶向适配系数，取值区间为0.81-0.9；S(σriq)max为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最大值；S(σriq)min为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的最小值；
Figure FDA0002293218780000026
为0-tm时刻内第i个损伤区域采集到的所有综合残余应力值中的平均值，
Figure FDA0002293218780000027
6.根据权利要求1所述的基于残余应力畸变率的起重机结构健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤S5中根据固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率
Figure FDA0002293218780000031
对在固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量H进行计算，
Figure FDA0002293218780000032
Figure FDA0002293218780000033
其中，H为固定时间节点tm时整体起重机结构的健康状态判量；Hi为固定时间节点tm时起重机第i个损伤区域的健康状态判量；S(Hi)max为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最大值；S(Hi)min为固定时间节点tm时所有损伤区域的健康状态判量中的最小值；N为损伤区域的个数；
Figure FDA0002293218780000034
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的残余应力畸变率；
Figure FDA0002293218780000035
为固定时间节点tm时第i个损伤区域的的残余应力密集度值；
Figure FDA0002293218780000036
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最小值；
Figure FDA0002293218780000037
为0-tm时刻内第i个损伤区域的残余应力畸变率的最大值；A为残余应力采集面积系数，取值为2。
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