重型施工机械重载结构安全评估方法
【专利摘要】一种重型施工机械重载结构安全评估方法，具体步骤为：首先，利用结构损伤前后所产生的模态振型向量及刚度矩阵求出相应的结构单元模态应变能和整体结构模态应变能；然后，采用单元的模态应变能和整体结构的应变能之比求出结构损伤前后的单元模态应变能比；最后，利用结构损伤前后的单元模态应变能比求出应变能损伤容比度DSERij。模态应变能损伤容比度DSERij趋近于0时表明结构第j个单元无损伤，当其值越大表明结构第j个单元损伤越严重。按上述方法依次计算每个单元的模态应变能损伤容比度，从而可以获得结构损伤的位置和程度。本发明能快速准确的识别出重型施工机械重载结构损伤的存在及损伤所在的位置，解决了重型施工机械重载结构损伤不易识别的难点。
【专利说明】重型施工机械重载结构安全评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种重型机械损伤故障诊断【技术领域】，特别是一种重型施工机械重载 结构安全评估方法。
【背景技术】
[0002] 重型施工机械重载结构以其高效的作业优势，成为地铁工程、铁路建设、桥梁建设 等大型基础设施建设不可缺少的专用工程施工设备，但重型施工机械重载结构由于在复杂 的工作环境中服役或受冲击载荷的作用和突发性因素的影响经常会遭受各种损伤，加之初 始细微的裂纹损伤不容易被发现，随着微小损伤的逐渐积累，极易发生恶性重大施工事故。 一旦事故发生将会给工程质量、工程进度乃至人民生命财产带来巨大损失，甚至是灾难性 后果。因此，对重型机械重载结构进行安全评估势在必行。
[0003] 目前，损伤识别问题正处于研究阶段，各类方法和理论正在日异月新的发展，从提 取的信号特征对结构的损伤进行识别来看主要是基于振动频率、振动模态及模态曲率的分 析方法；根据理论分析的特征来看主要涉及结构刚度及柔度矩阵、神经网络识别方法等； 还有一些交叉学科用于损伤识别的研究，如遗传算法和统计理论等。由于识别对象不同的 构造、作业环境各异以及实际测试中噪声影响，现阶段的损伤识别研究方法各有其适用性 和不足之处。但各种识别方法都不外乎于对三个问题的研究，即损伤指示，损伤的定位，损 伤程度的量化。
[0004] 对于重型施工机械重载结构而言由于其约束及空间庞大构造的复杂性、工作环境 恶劣性，加之损伤识别问题的不适定性，造成对其损伤的研究成为了 一个难度和复杂程度 都很大、费时费力的问题，极易对损伤误判。CN101034053A公开了一种基于模态信息的结构 损伤诊断新方法，为一种基于大型在役结构动力特性的损伤检测方法，利用损伤前后的模 态信息的差异进行损伤定位和损伤程度评估，利用结构的单元刚度矩阵和质量矩阵作为诊 断项，根据损伤表征向量一次性进行损伤定位和损伤程度评估。该方法不需要质量归一化 的振型，仅利用结构损伤前后的低阶模态信息即可，可以同时考虑结构刚度和质量的变化。 该方法适用于单损伤，多种损伤工况下，能够精确定位出框架结构的损伤位置和损伤程度。 CN102128788A公开了一种基于改进自然激励技术的钢框架损伤诊断方法，是一种重点解决 如何针对钢框架结构在自然激励下的振动响应，有效地提取损伤诊断指标，从而利用其进 行钢框架结构的在线损伤监测。该方法提出了综合采用虚拟脉冲响应函数提取技术和小波 包分析技术联合对传统基于自然激励技术的损伤诊断方法加以改进。
[0005] 以上这些技术对于如何能快速的识别出重型施工机械重载结构损伤的位置和程 度并未给出具体的指导方案。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种重型施工机械重载结构安全分析方 法，该方法能快速的识别出重型施工机械重载结构损伤的位置和程度，以解决重型施工机 械重载结构损伤不易识别的问题，从而为重型施工设备的"视情检修"提供确切依据。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种重型施工机械重载结构安全评估方法，其技术方案在于：首先建立所研究结 构的初始有限元模型，将结构分成N个单元，然后获取结构损伤前后的模态振型向量及刚 度矩阵，分别求出相应的整体结构模态应变能和单元模态应变能，从而求出结构损伤前后 模态应变能比，再将结构损伤前后模态应变能比的变化比确定为模态应变能损伤容比度 DSER，最后利用模态应变能损伤容比度DSER判断结构损伤的位置及程度，利用模态应变能 损伤容比度DSER对重型施工机械重载结构进行安全评估，即损伤识别包括以下步骤 ：
[0009] 第一步：从模型中提取结构的第j个单元的刚度矩阵和整体结构刚度矩阵以及结 构第i阶振型向量：Κ」，Κ，{Φ3
[0010] 其中
[0011] Kj:结构的第j个单元刚度矩阵；
[0012] K :结构的整体刚度矩阵；
[0013] {Φ?}:结构的第i阶振型向量；
[0014] 第二步：求出结构第j个单元的第i阶模态应变能MSEU和整体结构的第i阶模态 的模态应变能MSE :
[0015] MSEij = {Φ?}\.{Φ?} MSE = {Φ?}τΚ{Φ?}
[0016] 式中
[0017] {〇JT :结构的第i阶振型向量的转置；
[0018] MSEu :结构第j个单元的第i阶模态应变能；
[0019] MSE :整体结构的第i阶模态应变能；
[0020] 第三步：由第二步将结构第j个单元的第i阶单元模态应变能与整体结构的第i 阶模态应变能之比确定为模态应变能比（Element Modal strain Energy Ratio) SERij，公 式如下：
[0021]
【权利要求】
1. 一种重型施工机械重载结构安全评估方法，其特征在于：首先建立所研究结构的初 始有限元模型，将结构分成N个单元，然后获取结构损伤前后的模态振型向量及刚度矩阵， 分别求出相应的整体结构模态应变能和单元模态应变能，从而求出结构损伤前后模态应变 能比，再将结构损伤前后模态应变能比的变化比确定为模态应变能损伤容比度DSER，最后 利用模态应变能损伤容比度DSER判断结构损伤的位置及程度，利用模态应变能损伤容比 度DSER对重型施工机械重载结构进行安全评估，即损伤识别包括以下步骤： 第一步：从模型中提取结构的第j个单元的刚度矩阵和整体结构刚度矩阵以及结构第 i阶振型向量：Κ」，Κ，{Φ] 其中 Κ」：结构的第j个单元刚度矩阵； K :结构的整体刚度矩阵； :结构的第i阶振型向量； 第二步：求出结构第j个单元的第i阶模态应变能MSEU和整体结构的第i阶模态的模 态应变能MSE : MSEij = {Φ?}%{Φ?} MSE = {Φ?}τΚ{Φ?} 式中 MSEU :结构第j个单元的第i阶模态应变能； MSE :整体结构的第i阶模态应变能； 第三步：由第二步将结构第j个单元的第i阶单元模态应变能与整体结构的第i阶模 态应变能之比确定为模态应变能比SERu，公式如下：
式中 SERij :结构第j个单元的第i阶模态应变能比； 第四步：获取损伤后的模态振型向量{OJ%利用损伤后的模态振型向量计算结构第j 个单元的第i阶模态应变能
和整体结构的第i阶模态应变能MSE%
MSE* = {Φ?}*τΚ{Φ?}* 式中 {Φ?Κ :损伤后的结构第i阶模态振型向量；
损伤后的结构第j个单元的第i阶模态应变能； MSE%损伤后的整体结构的第i阶模态应变能； 第五步：由第四步将损伤后结构的第j个单元的第i阶模态应变能与整体结构的第i 阶模态应变能之比定义为结构损伤后的模态应变能比
公式如下：
式中
损伤后结构的第j个单元的第i阶模态应变能比； 第六步：由第三步和第五步求出结构的第j个单元的第i阶模态应变能损伤容比度 DSERu 为：
式中 DSERu :结构的第j个单元的第i阶模态应变能损伤容比度； 判断依据：模态应变能损伤容比度DSERij趋近于0时表明结构第j个单元无损伤，当其 值越大表明结构第j个单元损伤越严重，按上述方法依次计算每个单元的模态应变能损伤 容比度，从而可以获得结构损伤的位置和程度。
2. 根据权利要求1所述的重型施工机械重载结构安全评估方法，其特征在于：所述损 伤容比度是归一化的、表征某个安全属性的量化指标，取值范围为0?1，其值越大表示损 伤越严重。
3. 根据权利要求1所述的重型施工机械重载结构安全评估方法，其特征在于：所述第 四步中计算模态应变能时，由于损伤后结构的单元刚度无法得到，因此用未损伤的结构单 元刚度矩阵代替。
【文档编号】G06F19/00GK104123471SQ201410365595
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】杨绍普, 王利英, 郭文武, 潘存治, 王金祥, 纪尊众, 唐智斌, 赵文杰, 马增强, 赵志宏 申请人:石家庄铁道大学, 中国铁建大桥工程局集团有限公司, 北京必创科技有限公司