重型施工機械重載結構安全評估方法
【專利摘要】一種重型施工機械重載結構安全評估方法，具體步驟為：首先，利用結構損傷前后所產生的模態振型向量及剛度矩陣求出相應的結構單元模態應變能和整體結構模態應變能；然后，采用單元的模態應變能和整體結構的應變能之比求出結構損傷前后的單元模態應變能比；最后，利用結構損傷前后的單元模態應變能比求出應變能損傷容比度DSERij。模態應變能損傷容比度DSERij趨近于0時表明結構第j個單元無損傷，當其值越大表明結構第j個單元損傷越嚴重。按上述方法依次計算每個單元的模態應變能損傷容比度，從而可以獲得結構損傷的位置和程度。本發明能快速準確的識別出重型施工機械重載結構損傷的存在及損傷所在的位置，解決了重型施工機械重載結構損傷不易識別的難點。
【專利說明】重型施工機械重載結構安全評估方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種重型機械損傷故障診斷【技術領域】，特別是一種重型施工機械重載 結構安全評估方法。

【背景技術】
[0002] 重型施工機械重載結構以其高效的作業優勢，成為地鐵工程、鐵路建設、橋梁建設 等大型基礎設施建設不可缺少的專用工程施工設備，但重型施工機械重載結構由于在復雜 的工作環境中服役或受沖擊載荷的作用和突發性因素的影響經常會遭受各種損傷，加之初 始細微的裂紋損傷不容易被發現，隨著微小損傷的逐漸積累，極易發生惡性重大施工事故。 一旦事故發生將會給工程質量、工程進度乃至人民生命財產帶來巨大損失，甚至是災難性 后果。因此，對重型機械重載結構進行安全評估勢在必行。
[0003] 目前，損傷識別問題正處于研究階段，各類方法和理論正在日異月新的發展，從提 取的信號特征對結構的損傷進行識別來看主要是基于振動頻率、振動模態及模態曲率的分 析方法；根據理論分析的特征來看主要涉及結構剛度及柔度矩陣、神經網絡識別方法等； 還有一些交叉學科用于損傷識別的研究，如遺傳算法和統計理論等。由于識別對象不同的 構造、作業環境各異以及實際測試中噪聲影響，現階段的損傷識別研究方法各有其適用性 和不足之處。但各種識別方法都不外乎于對三個問題的研究，即損傷指示，損傷的定位，損 傷程度的量化。
[0004] 對于重型施工機械重載結構而言由于其約束及空間龐大構造的復雜性、工作環境 惡劣性，加之損傷識別問題的不適定性，造成對其損傷的研究成為了 一個難度和復雜程度 都很大、費時費力的問題，極易對損傷誤判。CN101034053A公開了一種基于模態信息的結構 損傷診斷新方法，為一種基于大型在役結構動力特性的損傷檢測方法，利用損傷前后的模 態信息的差異進行損傷定位和損傷程度評估，利用結構的單元剛度矩陣和質量矩陣作為診 斷項，根據損傷表征向量一次性進行損傷定位和損傷程度評估。該方法不需要質量歸一化 的振型，僅利用結構損傷前后的低階模態信息即可，可以同時考慮結構剛度和質量的變化。 該方法適用于單損傷，多種損傷工況下，能夠精確定位出框架結構的損傷位置和損傷程度。 CN102128788A公開了一種基于改進自然激勵技術的鋼框架損傷診斷方法，是一種重點解決 如何針對鋼框架結構在自然激勵下的振動響應，有效地提取損傷診斷指標，從而利用其進 行鋼框架結構的在線損傷監測。該方法提出了綜合采用虛擬脈沖響應函數提取技術和小波 包分析技術聯合對傳統基于自然激勵技術的損傷診斷方法加以改進。
[0005] 以上這些技術對于如何能快速的識別出重型施工機械重載結構損傷的位置和程 度并未給出具體的指導方案。


【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題在于，提供一種重型施工機械重載結構安全分析方 法，該方法能快速的識別出重型施工機械重載結構損傷的位置和程度，以解決重型施工機 械重載結構損傷不易識別的問題，從而為重型施工設備的"視情檢修"提供確切依據。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0008] -種重型施工機械重載結構安全評估方法，其技術方案在于：首先建立所研究結 構的初始有限元模型，將結構分成N個單元，然后獲取結構損傷前后的模態振型向量及剛 度矩陣，分別求出相應的整體結構模態應變能和單元模態應變能，從而求出結構損傷前后 模態應變能比，再將結構損傷前后模態應變能比的變化比確定為模態應變能損傷容比度 DSER，最后利用模態應變能損傷容比度DSER判斷結構損傷的位置及程度，利用模態應變能 損傷容比度DSER對重型施工機械重載結構進行安全評估，即損傷識別包括以下步驟 ：
[0009] 第一步：從模型中提取結構的第j個單元的剛度矩陣和整體結構剛度矩陣以及結 構第i階振型向量：Κ」，Κ，{Φ3
[0010] 其中
[0011] Kj:結構的第j個單元剛度矩陣；
[0012] K :結構的整體剛度矩陣；
[0013] {Φ?}:結構的第i階振型向量；
[0014] 第二步：求出結構第j個單元的第i階模態應變能MSEU和整體結構的第i階模態 的模態應變能MSE :
[0015] MSEij = {Φ?}\.{Φ?} MSE = {Φ?}τΚ{Φ?}
[0016] 式中
[0017] {〇JT :結構的第i階振型向量的轉置；
[0018] MSEu :結構第j個單元的第i階模態應變能；
[0019] MSE :整體結構的第i階模態應變能；
[0020] 第三步：由第二步將結構第j個單元的第i階單元模態應變能與整體結構的第i 階模態應變能之比確定為模態應變能比（Element Modal strain Energy Ratio) SERij，公 式如下：
[0021]

【權利要求】
1. 一種重型施工機械重載結構安全評估方法，其特征在于：首先建立所研究結構的初 始有限元模型，將結構分成N個單元，然后獲取結構損傷前后的模態振型向量及剛度矩陣， 分別求出相應的整體結構模態應變能和單元模態應變能，從而求出結構損傷前后模態應變 能比，再將結構損傷前后模態應變能比的變化比確定為模態應變能損傷容比度DSER，最后 利用模態應變能損傷容比度DSER判斷結構損傷的位置及程度，利用模態應變能損傷容比 度DSER對重型施工機械重載結構進行安全評估，即損傷識別包括以下步驟： 第一步：從模型中提取結構的第j個單元的剛度矩陣和整體結構剛度矩陣以及結構第 i階振型向量：Κ」，Κ，{Φ] 其中 Κ」：結構的第j個單元剛度矩陣； K :結構的整體剛度矩陣； :結構的第i階振型向量； 第二步：求出結構第j個單元的第i階模態應變能MSEU和整體結構的第i階模態的模 態應變能MSE : MSEij = {Φ?}%{Φ?} MSE = {Φ?}τΚ{Φ?} 式中 MSEU :結構第j個單元的第i階模態應變能； MSE :整體結構的第i階模態應變能； 第三步：由第二步將結構第j個單元的第i階單元模態應變能與整體結構的第i階模 態應變能之比確定為模態應變能比SERu，公式如下：
式中 SERij :結構第j個單元的第i階模態應變能比； 第四步：獲取損傷后的模態振型向量{OJ%利用損傷后的模態振型向量計算結構第j 個單元的第i階模態應變能
和整體結構的第i階模態應變能MSE%
MSE* = {Φ?}*τΚ{Φ?}* 式中 {Φ?Κ :損傷后的結構第i階模態振型向量；
損傷后的結構第j個單元的第i階模態應變能； MSE%損傷后的整體結構的第i階模態應變能； 第五步：由第四步將損傷后結構的第j個單元的第i階模態應變能與整體結構的第i 階模態應變能之比定義為結構損傷后的模態應變能比
公式如下：
式中
損傷后結構的第j個單元的第i階模態應變能比； 第六步：由第三步和第五步求出結構的第j個單元的第i階模態應變能損傷容比度 DSERu 為：
式中 DSERu :結構的第j個單元的第i階模態應變能損傷容比度； 判斷依據：模態應變能損傷容比度DSERij趨近于0時表明結構第j個單元無損傷，當其 值越大表明結構第j個單元損傷越嚴重，按上述方法依次計算每個單元的模態應變能損傷 容比度，從而可以獲得結構損傷的位置和程度。
2. 根據權利要求1所述的重型施工機械重載結構安全評估方法，其特征在于：所述損 傷容比度是歸一化的、表征某個安全屬性的量化指標，取值范圍為0?1，其值越大表示損 傷越嚴重。
3. 根據權利要求1所述的重型施工機械重載結構安全評估方法，其特征在于：所述第 四步中計算模態應變能時，由于損傷后結構的單元剛度無法得到，因此用未損傷的結構單 元剛度矩陣代替。
【文檔編號】G06F19/00GK104123471SQ201410365595
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】楊紹普, 王利英, 郭文武, 潘存治, 王金祥, 紀尊眾, 唐智斌, 趙文杰, 馬增強, 趙志宏 申請人:石家莊鐵道大學, 中國鐵建大橋工程局集團有限公司, 北京必創科技有限公司