CN112906162B - 一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法及装置，该方法包括获取模拟单位弯矩下的单位应力响应状态计算值；获取实际单位弯矩下的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；最后由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。本申请由测量值与计算值之间相对确定的换算系数，通过测量值确定具有等效关系的实际弯矩值，从而使得支撑柱实际弯矩的确定可以在起重机工作状态下随时进行。

Description

一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法及装置
技术领域
本申请涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法及装置。
背景技术
船用起重机械是一种涉及人身和财产安全，具有较大危险性的特种设备，因此其结构健康状态长期受到研究人员的关注。
近年来，随着起重机械数量的快速增长，起重机械的结构健康状态监测技术得到长足的发展。鉴于船舶在恶劣的海洋环境中工作时起重机械设备的工作环境更为复杂多变，起重机械结构本身受载响应状况相较于陆地情形也更加复杂。而当前船用起重机械设备的健康状态检测通常是由检验检测机构进行的逐台定期检测。其缺点是检测需要在起重设备停机状态下进行，难以反映起重机械设备在工作过程中实际受载状况。
而实际情况下在评估船用机械设备的健康状态时，不仅需要起重机械结构本身的应力响应情况，还需要确定相对应的外载，亦即起重机械结构在正常工作时的工作负载。以便评估起重机械结构在该外载作用下对起重机械结构健康状态的影响。因此，如何通过起重机械结构监测点的监测数据来推算出起重机械结构的外载，或者说起重机械结构的实际工作负载产生的实际弯矩，也是船用机械设备结构健康监测中一个亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本申请实施例第一方面提供了一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法，包括：
获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
一些实施例中，获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值之前，还包括：
构建所述支撑柱的三维有限元模型；
按照所述支撑柱的实际结构，对所述三维有限元模型的底端施加固定边界条件，顶端施加模拟单位弯矩。
一些实施例中，获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值，包括：
对所述三维有限元模型进行有限元分析；
基于所述有限元分析，计算获得所述三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值eix和eiy。
一些实施例中，获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值，包括：
对所述支撑柱顶端施加实际单位弯矩；
通过所述应力传感器获得所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的单位应力响应状态测量值RIx和RIy。
一些实施例中，根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数，包括：
根据所述单位应力响应状态计算值eix和eiy与所述单位应力响应状态测量值RIx和RIy的对应关系，可得：
RIx+RIy＝αeix+βeiy (1)
其中α和β为待求的换算系数；
通过矩阵变换,可得：
其中eix和eiy为所述单位应力响应状态计算值，RIx和RIy所述单位应力响应状态测量值。
一些实施例中，基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值，包括：
获取实际工作负载下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的应力传感器实际测量的应力响应状态测量值Rx和Ry；
将所述测量值Rx和Ry和所述换算系数α和β代入下式：
得所述三维有限元模型上与所述支撑柱上相应位置的模拟弯矩计算值ex和ey。
一些实施例中，根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值，包括：
令模拟弯矩计算值为e，则e可分解为相正交的两个分量ex和ey，且e＝ex+ey；
令实际弯矩值为M，M可分解为相正交的两个分量Mx和My，且M＝Mx+My，其中Mx、My与ex、ey在所述支撑柱和所述三维有限元模型的位置相对应；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值ex和ey确定所述支撑柱上相应位置的实际弯矩的两个分量Mx和My；
由所述两个分量Mx和My确定所述实际弯矩值M。
本申请实施例第二方面提供了一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算装置，包括：
计算值获取模块，用于获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
测量值获取模块，用于获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
换算系数确定模块，用于根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
弯矩计算值确定模块，用于基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
实际弯矩值确定模块，用于根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
本申请实施例第三方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现第一方面任一项所述的方法。
本申请实施例第四方面提供了一种船用机械结构健康监测系统，其中，所述系统采用了第二方面所述的装置。
本申请的上述实施例的有益效果在于，通过支撑柱确定截面位置处应力传感器的应力响应状态测量值与支撑柱的三维有限元模型的相应截面处的应力响应状态计算值之间的换算系数，以及三维有限元模型的模拟弯矩与支撑柱的实际弯矩之间的等效关系，通过该换算系数由应力传感器的应力响应状态测量值确定具有等效关系的支撑柱的实际弯矩值，从而使得支撑柱实际弯矩，亦即起重机外载的确定可以在起重机工作状态下随时进行。
附图说明
图1是本申请实施例中支撑柱的弯矩计算方法流程示意图；
图2是本申请实施例中支撑柱及其确定截面处应力状态检测位置示意图；
图3是本申请实施例中支撑柱上确定截面处弯矩作用力分解示意图；
图4是本申请实施例中支撑柱的三维有限元模型上两两正交的四个应力响应状态计算位置示意图；
图5是本申请实施例支撑柱的弯矩计算装置结构框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本申请实施例第一方面提供了一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法，包括：
获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
图1是本申请实施例支撑柱的弯矩计算方法流程示意图。
如图1所示，一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法，包括：
步骤110：获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值。
其中单位弯矩支撑柱弯矩的一个单位，模拟单位弯矩是指施加在支撑柱的三维有限元模型的模拟弯矩的一个单位，该模拟单位弯矩与施加在实际支撑柱上的实际单位弯矩具有对应关系。单位应力响应状态计算值是指通过对支撑柱的三维有限元模型进行有限元分析计算获得的值。
步骤120：获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值。
其中实际单位弯矩下，是指在支撑柱上实际施加了该实际的单位弯矩。单位应力响应状态测量值，是指在实际单位弯矩下通过应力传感器在支撑柱相应截面位置实际测量得到的应力响应状态测量值。
步骤130：根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数。
单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值，都是在一个单位弯矩下获得的值，不同的是测量值是在实际单位弯矩下的实际支撑柱上测量获得的，计算值是在模拟单位弯矩下的三维有限元模型上通过有限元分析计算获得的。而且两者之间因为都是在一个单位弯矩下，所以在数值上存在相对确定的对应关系，但因为数值上并不完全相同，所以两者之间就存在一个较确定的换算系数。
步骤140：基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值。
在得到上述换算系数后，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值，相当于对测量值与计算值做了换算系数不变的同步放大。比如，在该不变的换算系数下，当测量值相当于100个实际单位弯矩下的测量值时，计算值也就基本是100个模拟单位弯矩下的计算值。
其中实际工作负载是指支撑柱在实际工作时承受的工作负载，习惯上也称为起重机械的外载。
步骤150：根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
因为三维有限元模型上的模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应截面位置的实际弯矩值具有等效关系，所以只要根据支撑柱上相应截面位置的实际测量值推算出三维有限元模型上确定截面位置的模拟弯矩值，就相当于确定出了支撑柱上相应截面位置的实际弯矩值。
所以本实施技术方案，实际上就是一个由测量，到计算，再到推算的过程。当然其中还有一个确定换算系数的过程，因为该换算系数，以及测量值、计算值都必然存在一定误差，所以，最后推算出的实际弯矩值与支撑柱在实际负载下实际承受的弯矩通常也会有一些误差。但因为这种推算的方式使得支撑柱实际承受弯矩的确定可以在起重机工作状态下随时进行，所以存在一定误差的不利因素，在实际工作中也是可以接受的。
一些实施例中，还可以通过设置多组应力传感器来监测支撑柱确定截面位置的应力响应时序数据，从而达到弯矩外载冗余校核的效果，进一步保证实际弯矩反演结果的准确性。
一些实施例中，步骤110包括：
步骤111：对所述三维有限元模型进行有限元分析；
步骤112：基于所述有限元分析，计算获得所述三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值eix和eiy。
图2是本申请实施例中支撑柱及其确定截面处应力状态检测位置示意图。
参见图2中的支撑柱及其确定截面处应力状态检测位置，步骤112中支撑柱的三维有限元模型的确定截面与图2中支撑柱的确定截面位置相对应。
图3是本申请实施例中支撑柱上确定截面处弯矩作用力分解示意图。
参见图3中的支撑柱上确定截面处弯矩作用力分解示意图，步骤112中三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置，与支撑柱上确定截面处弯矩作用力分解后的正交位置相对应。
一些实施例中，步骤120包括：
步骤121：对所述支撑柱顶端施加实际单位弯矩；
步骤122：通过所述应力传感器获得所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的单位应力响应状态测量值RIx和RIy。
一些实施例中，步骤130包括：
步骤131：根据所述单位应力响应状态计算值eix和eiy与所述单位应力响应状态测量值RIx和RIy的对应关系，可得：
RIx+RIy＝αeix+βeiy (1)
其中α和β为待求的换算系数；
步骤132：通过矩阵变换,可得：
其中eix和eiy为所述单位应力响应状态计算值，RIx和RIy所述单位应力响应状态测量值。
图4是本申请实施例中支撑柱的三维有限元模型上两两正交的四个应力响应状态计算位置示意图。
如图4所示，在支撑柱的三维有限元模型顶端施加模拟单位弯矩 经过有限元计算，获得三维有限元模型上确定截面处的两两正交四个位置x+,y+,x-,y-计算结果如下表所示：
x+ y+ x- y-
MIx -17.644E-09 16.3362E-06 -12.5056E-12 -16.3357E-06
MIy -16.3357E-06 -12.4629E-12 16.3362E-06 -17.6441E-09
按照反演算法，选取任意两个互相垂直正交位置作为计算对象来构建单位应力响应状态计算值eix和eiy。按照互相垂直正交的要求，可以将4个位置分成四组：(x+,y+)、(x+,y-)、(x-,y+)、(x-,y-)。
以其中的(x+,y+)为例，其单位应力响应状态计算值eix和eiy：
则线性关系矩阵
其逆阵为：
将起重机工作过程中，支撑柱确定截面位置(x+,y+)两处应力传感器监测的实际单位弯矩下的测量值(-155.26E-06,65.3447E-06)和单位应力响应状态计算值eix和eiy的线性关系矩阵[eix,eiy]-1代入式(2)中，可得：
步骤141：获取实际工作负载下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的应力传感器实际测量的应力响应状态测量值Rx和Ry；
步骤142：将所述测量值Rx和Ry和所述换算系数α和β代入下式：
得所述三维有限元模型上与所述支撑柱上相应位置的模拟弯矩计算值ex和ey。
一些实施例中，步骤150包括：
步骤151：令模拟弯矩计算值为e，则e可分解为相正交的两个分量ex和ey，且e＝ex+ey；
步骤152：令实际弯矩值为M，M可分解为相正交的两个分量Mx和My，且M＝Mx+My，其中Mx、My与ex、ey在所述支撑柱和所述三维有限元模型的位置相对应；
步骤153：根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值ex和ey确定所述支撑柱上相应位置的实际弯矩的两个分量Mx和My；
步骤154：由所述两个分量Mx和My确定所述实际弯矩值M。
一些实施例中，步骤110之前还包括：
步骤010：构建所述支撑柱的三维有限元模型；
步骤020：按照所述支撑柱的实际结构，对所述三维有限元模型的底端施加固定边界条件，顶端施加模拟单位弯矩。
步骤110之前的过程是指根据船用起重机的支撑柱实际结构，构建支撑柱三维有限元模型的过程。本申请实施例的弯矩计算方法正是在支撑柱三维有限元模型基础上，基于有限元分析最终完成的支撑柱实际工作负载下实际弯矩的计算和推算。
图5是本申请实施例支撑柱的弯矩计算装置结构框图；
如图5所示，本申请实施例第二方面提供了一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算装置，包括：
计算值获取模块11，用于获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
测量值获取模块12，用于获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
换算系数确定模块13，用于根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
弯矩计算值确定模块14，用于基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
实际弯矩值确定模块15，用于根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
本申请实施例第三方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现第一方面任一项所述的方法。
本申请实施例第四方面提供了一种船用机械结构健康监测系统，其中，所述系统采用了第二方面所述的装置。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法，包括：
获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值；
获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值之前，还包括：
构建所述支撑柱的三维有限元模型；
按照所述支撑柱的实际结构，对所述三维有限元模型的底端施加固定边界条件，顶端施加模拟单位弯矩；
获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值，包括：
对所述三维有限元模型进行有限元分析；
基于所述有限元分析，计算获得所述三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值eix和eiy；
获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值，包括：
对所述支撑柱顶端施加实际单位弯矩；
通过所述应力传感器获得所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的单位应力响应状态测量值RIx和RIy；
根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数，包括：
根据所述单位应力响应状态计算值eix和eiy与所述单位应力响应状态测量值RIx和RIy的对应关系，可得：
RIx+RIy＝αeix+βeiy (1)
其中α和β为待求的换算系数；
通过矩阵变换,可得：
其中eix和eiy为所述单位应力响应状态计算值，RIx和RIy所述单位应力响应状态测量值；
基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值，包括：
获取实际工作负载下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置的应力传感器实际测量的应力响应状态测量值Rx和Ry；
将所述测量值Rx和Ry和所述换算系数α和β代入下式：
得所述三维有限元模型上与所述支撑柱上相应位置的模拟弯矩计算值ex和ey；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值，包括：
令模拟弯矩计算值为e，则e可分解为相正交的两个分量ex和ey，且e＝ex+ey；
令实际弯矩值为M，M可分解为相正交的两个分量Mx和My，且M＝Mx+My，其中Mx、My与ex、ey在所述支撑柱和所述三维有限元模型的位置相对应；
根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值ex和ey确定所述支撑柱上相应位置的实际弯矩的两个分量Mx和My；
由所述两个分量Mx和My确定所述实际弯矩值M。
2.一种船用起重机的支撑柱的弯矩计算装置，用于权利要求1所述的船用起重机的支撑柱的弯矩计算方法，包括：
计算值获取模块，用于获取模拟单位弯矩下所述支撑柱的三维有限元模型的确定截面处一组相正交位置上的单位应力响应状态计算值；
测量值获取模块，用于获取实际单位弯矩下所述支撑柱上相应截面处一组相正交位置上的应力传感器实际测量的单位应力响应状态测量值；
换算系数确定模块，用于根据所述单位应力响应状态测量值与所述单位应力响应状态计算值之间的对应关系，确定两者之间的换算系数；
弯矩计算值确定模块，用于基于所述换算系数，根据实际工作负载下所述支撑柱上所述应力传感器实际测量的应力响应状态测量值，确定所述三维有限元模型上的模拟弯矩计算值；
实际弯矩值确定模块，用于根据所述模拟弯矩计算值与所述支撑柱上相应位置的实际弯矩值的等效关系，由所述模拟弯矩计算值确定实际工作负载下所述支撑柱的实际弯矩值。
3.一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1所述的方法。
4.一种船用机械结构健康监测系统，其中，所述系统采用了权利要求2所述的装置。
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