基于移動載荷法的單主梁門式起重機結構的缺陷識別*

趙 俊，鐘舜聰，楊曉翔*，郭金泉，龔凌諸

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州，350108;2.福建省特種設備檢驗研究院，福建福州，350001)

0 引 言

起重機正朝著自動化、智能化、核心技術化的方向發展［1-2］，門式起重機作為其中一員，憑借場地利用率高、作業范圍大、適應面廣、通用性強等特點，在工廠、港口、造船廠、電站等處得到了廣泛應用。

隨著有限元技術的蓬勃發展，利用有限元分析軟件對大型工程結構的數值模擬已成為一種比較流行的方法［3］。胡留現等［4］對小型門式起重機進行了模態分析的數值模擬，發現小型門式起重機結構為一低頻振動系統，快速起升和突然卸載時的沖擊容易引起結構共振;朱從兵［5］借助有限元分析軟件對輕型港口起重機進行了模態分析、諧響應分析、瞬態動力學分析等結構動態響應研究，對起重機優化設計具有指導意義。

近年來，國內外學者對結構缺陷檢測方面的研究也產生了濃厚興趣。龔凌諸等［6］采用自然風的隨機激勵對港口起重機進行了工作振動模態分析，為基于模態的結構狀態監測和裂紋診斷提供了一種有效方法。仲偉秋等［7］和楊永剛等［8］都對振動檢測技術在橋梁上的應用提出了自己的方法與見解。Shuncong Zhong等［9］運用附加質量檢測法，對桿狀結構進行缺陷檢測，通過研究發現，附加質量在桿狀結構上的移動，能夠放大缺陷對桿狀結構動態特性的影響效果，從而探測缺陷的所在位置。這種方法具有效率高、魯棒性好、精度高等優點。Qindan Huang等［10］結合修正的貝葉斯模型和一種基于振動的缺陷檢測技術，利用指定結構的動態特性，提出了一種對潛在不確定因素引起的缺陷進行無損檢測的方法。

本研究提出的移動載荷法通過用質量單元模擬重物在門式起重機上的移動過程對結構動態特性進行研究，從而得出缺陷所在位置，對推動無損檢測的發展起到關鍵作用。

1 基于移動載荷法的單主梁門式起重機的結構缺陷識別方法

在以往的研究中，有學者研究發現［11］，當缺陷的比例達到50%時，利用有限元技術對模型進行模態分析，有缺陷模型的第一階彎曲振型相對無缺陷模型來說，其固有頻率將會有5%的變化，也就是說，當缺陷深度占整個結構的50%以上時，才能用結構本身的固有頻率變化檢測出來。所以在缺陷尺寸相對較小的情況下，這是一項非常困難的工作。本研究提出了一種移動載荷法，通過在門式起重機上添加質量單元的方法，模擬重物由主梁一端移動到另一端的過程，以此放大缺陷對結構動態特性產生的影響，達到識別缺陷所在位置的目的。移動載荷法原理示意圖如圖1所示。

圖1 移動載荷法原理示意圖

以研究對象單主梁門式起重機為例，尺寸如圖1所示，重物由主梁的一端向另外一端緩慢移動。

隨著載荷在主梁上的移動，整個結構的固有頻率會發生相應地變化，當載荷移動到缺陷所在位置附近，對于整個結構來說，其剛度的變化相對其他遠離缺陷的位置要明顯得多，并且在缺陷深度增加的情況下，結構剛度變化的程度也會隨著增加(相對于無缺陷的剛度)。因此，利用移動載荷法，就能夠推斷出缺陷所在位置。

2 單主梁門式起重機有限元建模及分析

本研究的研究對象是福建省特種設備檢驗研究院起重機械健康監測實驗室的一臺型號為MH0.5-3.5的單主梁門式起重機，其最大起升高度為1.5 m，額定起重載荷為500 kg，跨度為3.5 m，工作級別為A5，主起升速度分為快慢兩檔:8 m/min和2 m/min，葫蘆運行速度分為快慢兩檔:12 m/min和3 m/min，大車運行速度分為快慢兩檔:20 m/min和5 m/min，材質為Q235-B，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.85×103kg/m3。該單主梁門式起重機的實物如圖2所示。

圖2 MH0.5-3.5單梁門式起重機實物圖

建模主要以該起重機的金屬結構作為研究重點，所以本研究對電氣設施和大車運行機構作了適當簡化，電動葫蘆和載荷用質量點來代替。

2.1 三維模型的建立

本研究利用三維建模軟件UG，根據提供的單主梁門式起重機圖紙，進行1∶1建模，三維模型如圖3所示。

圖3 MH0.5-3.5單梁門式起重機三維模型

2.2 建立有限元模型與網格劃分

將在UG中建立好的三維模型用IGS格式導入前處理軟件Ansa中，可進行有限元模型的形成與網格劃分，本研究共得到560 861個節點，387 221個Solid185單元。

2.3 有限元模態分析

在Ansa中建立好有限元模型之后，本研究用cbd格式導入有限元分析軟件中進行模態分析。將小車在主梁上運動的有效長度平均分為32點、31段(首尾各有1點)，利用在32個位置添加質量單元MASS21的方式，模擬小車和載荷共100 kg在主梁上運動時所處的不同位置。將底部與大車機構連接的地方設置為全約束(Ux、Uy、Uz、ROTx、ROTy、ROTz都為 0)。本研究在距離懸臂端1 130 mm(小車運動到23號與24號位置序列之間處)的主梁雙工字鋼下表面處，設置了長120 mm，寬2 mm，深度分別為2 mm、4 mm、6 mm 的規則缺陷(總厚度為8 mm)，分成0%缺陷(無缺陷)、25%缺陷、50%缺陷、75%缺陷共4組有限元模型。50%缺陷網格放大圖如圖4所示。

圖4 50%缺陷網格放大圖

本研究用Block Lanczos法對上述4個模型進行模態分析，在10階擴展模態中，選出了2個典型的振型，并分別得到了4組模型的2個典型振型的振型圖及固有頻率曲線。第2振型圖如圖5所示。

圖5 第2振型圖

兩個典型振型對應的用移動載荷法得到的含有不同缺陷模型的固有頻率曲線圖如圖6所示。

圖6 第2振型固有頻率曲線圖

3 缺陷識別方法及結果討論

從圖6中很難看出4組模型在同樣移動載荷情況下的差別。本研究用固有頻率值求差的方法，以無缺陷固有頻率曲線作為基準，將25%、50%、75%這3組模型得到的固有頻率曲線分別與無缺陷模型的固有頻率曲線求差，得到的第2振型固有頻率差值曲線如圖7所示。

圖7 第2振型固有頻率差值曲線

從圖7可以看出，當質量單元移動到23號與25號位置之間時，固有頻率差值有明顯的變化，這與之前設定的缺陷位置相符合。對同一振型來說，影響固有頻率差值的因素有兩個:①缺陷尺寸的大小;②質量單元離開缺陷所在位置的距離。缺陷的尺寸越大，質量單元越接近缺陷所在位置，那么，有缺陷的固有頻率值與無缺陷的固有頻率值之間的差值就越大，進而說明整個結構的剛度降低越明顯。所以，通過移動載荷法可以定性地判斷出起重機主梁上缺陷所在的位置，并且在實際的起重機結構無損檢測過程中，也可以運用該方法進行缺陷定位。

4 結束語

本研究利用移動載荷法，建立了型號為MH0.5-3.5的單主梁門式起重機的三維模型和有限元模型，并且對4組不同缺陷的模型進行了小車和載重共100 kg

在主梁上運動過程的模擬，提取了兩個典型振型的固有頻率曲線。筆者對模擬結果進行了固有頻率值求差處理，并得出“質量單元在起重機主梁上的移動改變了結構固有頻率”的結論。當尺寸的缺陷越大，質量單元越靠近缺陷所在位置，則有缺陷結構的固有頻率值與無缺陷結構的固有頻率值之間的差就越大，進而達到缺陷定位的目的，該結果為起重機無損檢測提供了重要依據。

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