CN111695214A

CN111695214A - 基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法

Info

Publication number: CN111695214A
Application number: CN202010452746.1A
Authority: CN
Inventors: 李晓龙; 刘栋财; 钟辉; 何备
Original assignee: Hunan Chengke Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai B&a Sensor Co ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111695214B

Abstract

一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，利用三维统计方法，通过建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计，再根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力‑寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。本发明能够用于岸桥疲劳损伤计算，并能够根据统计图表反演出该岸桥整个生命周期的工作情况，且能够很好的满足工程应用要求。

Description

基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法

技术领域

本发明涉及到一种岸桥起重机的机械性能确定方法，尤其是指一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，该种一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法可有效地将岸桥结构疲劳寿命的计算需要解决三个关键性的问题统一起来，准确计算起重机疲劳损伤；属于岸桥起重机设计制造技术领域。

背景技术

岸桥起重机(简称岸桥)是港口前沿装卸集装箱船舶的专业起重机械，岸桥起重机由于处于港口装卸作业生产和特殊的环境下，是工作十分频繁的起重机械，其载荷复杂多变，动态特性显著。为了适应日益繁忙的装卸生产要求，提高装卸能力，其发展趋势朝着结构尺寸大、自重大、起重量大、起重速率快的方向发展。在岸桥起重机的装卸过程中，其金属结构直接承受循环载荷的作用，结构疲劳破坏的情况时有发生。由于疲劳破坏是一种脆性破坏，具有突然性，所以岸桥起重机结构一旦破坏，可能造成较为严重的后果。因此，准确计算起重机疲劳损伤，是延长岸桥使用寿命，保证岸桥安全运行的重要因素之一。

传统的对于岸桥结构疲劳寿命的计算需要解决三个关键性的问题。关键问题一是,必须掌握金属结构所受载荷谱或应力谱；关键问题二是，当金属结构出现疲劳时，其疲劳累积效应的确定方法和评估方式；关键问题三是，如何根据现有参数评估岸桥结构的安全状态，以及如何预估岸桥剩余的疲劳使用年限。上述三个关键性问题一般只在疲劳结构仿真中使用；在工程实时难度大、误差大；因此急需一种方法能够在满足误差精度要求的前提下，进行疲劳损伤计算，且能够满足实际工程中的应用需求。。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN201910356230.4，名称为“一种起重机疲劳分析系统及分析方法”，申请人为：温州市特种设备检测研究院的发明专利，该专利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。

2、专利号为CN201910687253.3，名称为“一种量化起重机吊臂疲劳损伤等级的分析方法”，申请人为：河海大学的发明专利，该专利公开了一种量化起重机吊臂疲劳损伤等级的分析方法，首先确定起重机悬臂的疲劳损伤划分标准，并获取各等级的起重机悬臂动力响应；接着分别进行双谱分析，提取主特征值；然后根据主特征值构造正态云基准模型；最后将要求测量的起重机吊臂的主特征值与正态云基准模型进行对照，划分损伤程度等级。

3、专利号为CN201910633189.0，名称为“一种基于刚柔耦合的起重机臂架疲劳确定方法”，申请人为：南京理工大学的发明专利，该专利公开了一种基于刚柔耦合的起重机臂架疲劳确定方法，包括：步骤1、臂架有限元模型的建立；步骤2、获取臂架在单位载荷作用下的应力分布；步骤3、获取臂架MNF文件；步骤4、建立起重机臂架-卷筒-钢丝绳刚柔耦合模型；步骤5、臂架不同工况载荷时间序列和臂架应力谱的获取；步骤6、计算臂架疲劳寿命结果。

通过对上述这些专利的仔细分析，这些专利虽然都涉及了起重机疲劳的计算方式，也提出了一些改进技术方案，但通过仔细分析，该些专利都无法对疲劳损伤模型的计算进行反馈，无法修正模型建立时的误差，尤其是如何将前面所述的三个关键性问题结合起来，准确计算岸桥起重机疲劳损伤，没有加以考虑，所以前面所述的问题仍然存在，仍有待进一步加以研究改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有岸桥起重机疲劳损伤的计算方式仍存在的一些问题；提出一种新的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，该种岸桥起重机疲劳损伤的确定方法利用统计模型的方式，有效地将岸桥结构疲劳寿命的计算需要解决三个关键性的问题统一起来进行考虑，计算容易，且便于实际操作实施。

为了达到这一目的，本发明提供了一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，利用三维统计方法，通过建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计，再根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。

进一步地，所述的建立三维统计模型是以装卸集装箱的质量为工况参数，建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计。

进一步地，所述的分仓统计是对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计，得到应力幅值和应力均值统计量。

进一步地，所述的应力幅值和应力均值统计量，主要指各个工况分段内，以应力幅值为X轴，应力均值为Y轴，工作循环次数为Z轴的基于工况的统计。

进一步地，所述的岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值是利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分，采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L，以及各个测定的应力值S；再通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线；利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线；通过分析得到岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值。

进一步地，所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法包含以下步骤：

1、利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分，得到小车挂载值L；

2、采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L，以及各个测定的应力值S；

3、通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线；

4、利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线；

5、对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计；

6、根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。

进一步地，所述的利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分通过以下方式确定：

以小车装货和卸货过程中载荷的变化率表达式为：

式中，d表示微分算子，LS为小车吊具自重，LB为装载集装箱重量，t为时间；随着岸桥小车的运动，当记录下4次载荷交替变化率大于2后，记为岸桥的一个运动周期。

进一步地，所述的采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L，通过以下方式确定：

挂载值表达式为：

L＝LS+LB (2)

进一步地，所述的通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线是利用一定数量的现场采集数据和岸桥结构参数，作为仿真的基础参数，且在仿真的基础上，通过现场实测数据与仿真参数的比对优化仿真参数设置，获得各个测点的基础应力-寿命曲线。

进一步地，所述的利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线是通过以下方式确定：

极限应力方程的表达式为：

其中S_Ra为循环特性下R的疲劳极限幅值，S_Rm为循环特性R下的疲劳极限均值，S_-1为对称循环(R＝-1)时的疲劳极限，S_b为结构材料的抗拉强度。

循环特性R的表达式为：

循环特性为R的疲劳极限幅值S_Ra表达式为：

循环特性为R下的疲劳极限均值S_Rm表达式为：

其中S_max为一个周期循环内的最大应力值，S_min为一个周期循环内的最小应力值。

进一步地，所述的对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计是以装卸集装箱的质量为工况参数，建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计；所述应力幅值和应力均值统计量，主要指各个工况分段内，以应力幅值为X轴，应力均值为Y轴，工作循环次数为Z轴的基于工况的统计。

本发明的优点在于：

本发明利用三维统计方法，通过建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计，再根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命，能够用于岸桥疲劳损伤计算，并能够根据统计图表反演出该岸桥整个生命周期的工作情况，且能够很好的满足工程应用要求。

附图说明

图1是本发明的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法流程图。

图2和图3是岸桥运行的工况统计量。

图4是在统计工况下岸桥的剩余疲劳寿命。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

本发明涉及一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，利用三维统计方法，通过建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计，再根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。

具体确定方法如下(如附图1所示)：

1、采集小车吊载参数，根据载荷变化率判断岸桥工作循环状况；

主要是采集小车吊载的所有参数数据，对小车所装卸的集装箱质量的整个吊载参数数据进行分析，并从中根据载荷变化率判断岸桥工作循环状况，利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分，确定工作循环周期；

所述的利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分通过以下方式确定：

以小车装货和卸货过程中载荷的变化率表达式为：

2、采集工作循环内的小车挂载值；

将根据岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量，采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L；通过以下方式确定：

挂载值表达式为：

L＝LS+LB (2)

LS为小车吊具自重，LB为装载集装箱重量。

3、采集每一个测点在工作循环内的应力值；

将在岸桥上设置多个测量点，每一个测量点安装应力值检测装置，并在一个工作循环内通过应力值检测装置，采集每一个测点在工作循环内的应力值S；

4、根据岸桥结构参数和实验参数仿真应力-寿命曲线；

再利用岸桥结构参数和前面所得到的实验参数，通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线；

5、利用极限应力方程求解任意循环特性下的应力-寿命曲线；

所述的利用极限应力方程求解任意循环特性下的应力-寿命曲线是利用极限应力的理论和计算方法，从极限应力的角度求解任意循环特性下的岸桥应力-寿命曲线；

应力-寿命曲线是通过以下方式确定：

极限应力方程的表达式为

循环特性R的表达式为：

循环特性为R的疲劳极限幅值S_Ra表达式为：

循环特性为R下的疲劳极限均值S_Rm表达式为：

6、按工况对应力幅值和应力均值分仓统计；

所述的分仓统计以装卸集装箱的质量为工况参数，建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计。

所述的分仓统计是对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计，得到应力幅值和应力均值统计量。

所述的应力幅值和应力均值统计量，主要指各个工况分段内，以应力幅值为X轴，应力均值为Y轴，工作循环次数为Z轴的基于工况的统计

7、统计每一类工况出现的次数；

所述的统计每一类工况出现的次数是对分仓统计的数据进行分析，并将各类工况出现的频次分别统计出来；

8、根据累计损伤理论求解岸桥疲劳损伤；

所述根据累计损伤理论求解岸桥疲劳损伤可以采用各种常规的疲劳累积损伤确定方式进行，其中采用线性Miner疲劳法则最为实用；利用线性Miner疲劳法则求解岸桥疲劳损伤；

9、根据岸桥实际损伤修正应力-寿命曲线；

由于实际的岸桥实际损伤与采用线性Miner疲劳法则求解岸桥疲劳损伤的结果是存在一定差异的，因此将进行必要的修正；修正的方法通过实时根据统计模型计算岸桥对应测点历史疲劳损耗，以及当前一段时间内的疲劳损耗进行修正；

10、计算每一个工作循环疲劳损伤，预估岸桥剩余寿命。

根据步骤1-9的方式对岸桥小车在整个工作循环状况每一个工作循环进行统计分析计算，再根据统计模型实时统计岸桥截止到当前时间点的全部载荷谱数据，以及岸桥实际吊载的工况数据，确定实时根据统计模型计算岸桥对应测点历史疲劳损耗，以及当前一段时间内的疲劳损耗，由此根据疲劳损耗计算出预计的使用寿命。

图2，图3和图4所示为一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法示例。由图2和图3可知，采样本发明的统计模型能够实时统计岸桥截止到当前时间点的全部载荷谱数据，以及岸桥实际吊载的工况数据。由图4可知，采样本发明能够实时根据统计模型计算岸桥对应测点历史疲劳损耗，以及当前一段时间内的疲劳损耗。

本案例在实施过程中，小车的挂载值

LS＝17t，LB＝27t，因此小车的挂载值为L＝LS+LB＝44t。

对应测点的应力幅值为S_Ra＝50Pa，应力均值为S_Rm＝21Pa。则根据表达式(3)，对应的等效应力下的S_-1＝52.6Pa。

则根据Q345B的应力-疲劳寿命曲线，本次疲劳损耗约为7次。

图2是岸桥每运行一个运动周期进行次应力幅值和应力均值的统计。统计方式为以应力均值和应力幅值划分网格，将一个运动周期内的应力幅值和均值归入对应的网格内，通过该统计图能够完整反应该岸桥全部生命周期内的疲劳状态。

图3是岸桥每运行一个运动周期，对该运动周期内所装卸的集装箱重量进行统计，统计网格按照10吨划分。将每次吊载的重量归入对应的统计网格中，通过该统计图能够完整反应岸桥全部生命周期内的受载情况。

图4是基于统计模型和修正的应力寿命曲线计算的当前寿命损耗以及历史疲劳损耗的累积。根据统计的工况和疲劳参数，能够预测未来在类似工况条件下岸桥能够过的年限。通过计算估计本实施例的预计剩余的使用寿命为50年8个月。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，而且本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

主要有以下优点：

1、能够根据统计参数了解岸桥全部生命周期的运行情况；

2、能够对疲劳计算模型进行反馈，修正疲劳计算参数；

3、基于统计学模型的计算，能够指导其它岸桥的运维；

4、基于多点传感器的测量，便于工程实施。

Claims

1.一种基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：利用三维统计方法，通过建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计，再根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。

2.如权利要求1所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的建立三维统计模型是以装卸集装箱的质量为工况参数，建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计。

3.如权利要求2所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的分仓统计是对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计，得到应力幅值和应力均值统计量。

4.如权利要求3所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的应力幅值和应力均值统计量，主要指各个工况分段内，以应力幅值为X轴，应力均值为Y轴，工作循环次数为Z轴的基于工况的统计。

5.如权利要求3所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值是利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分，采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L，以及各个测定的应力值S；再通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线；利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线；通过分析得到岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值。

6.如权利要求1所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法包含以下步骤：

1)利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分；

2)采集一个周期内岸桥随小车运动的小车挂载值L，以及各个测定的应力值S；

3)通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线；

4)利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线；

5)对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计；

6)根据应力幅值和应力均值统计量，计算每个工作循环的岸桥结构疲劳损伤，并修正应力-寿命曲线，预估岸桥剩余使用寿命。

7.如权利要求6所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的利用岸桥小车吊载参数对岸桥工作循环进行划分通过以下方式确定：

以小车装货和卸货过程中载荷的变化率表达式为：

式中，LS为小车吊具自重，LB为装载集装箱重量，t为时间；随着岸桥小车的运动，当记录下4次载荷交替变化率大于2后，记为岸桥的一个运动周期。

挂载值表达式为：

L＝LS+LB (2)

8.如权利要求6所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的通过仿真获得各个测点的基础应力-寿命曲线是利用一定数量的现场采集数据和岸桥结构参数，作为仿真的基础参数，且在仿真的基础上，通过现场实测数据与仿真参数的比对优化仿真参数设置，获得各个测点的基础应力-寿命曲线。

9.如权利要求6所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的利用极限应力方程得到任意循环特性下的应力-寿命曲线是通过以下方式确定：

极限应力方程的表达式为：

其中S_Ra为循环特性为R的疲劳极限幅值，S_Rm循环特性为R下的疲劳极限均值，S_-1为对称循环(R＝-1)时的疲劳极限，S_b为结构材料的抗拉强度。

循环特性R的表达式为：

循环特性为R的疲劳极限幅值表达式为：

循环特性为R下的疲劳极限均值表达式为：

10.如权利要求6所述的基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法，其特征在于：所述的对岸桥一个工作循环内所装卸的集装箱质量、应力幅值和应力均值进行分仓统计是以装卸集装箱的质量为工况参数，建立三维统计模型，对应力幅值和应力均值进行按工况分类的分仓统计；所述应力幅值和应力均值统计量，主要指各个工况分段内，以应力幅值为X轴，应力均值为Y轴，工作循环次数为Z轴的基于工况的统计。