大型起重機降載荷當量試驗方法的研究與應用

趙世軍

摘要：隨著經濟社會的發展和工業化生產的需要，起重機的起重量逐漸加大，在對起重機進行監督檢驗和日常使用過程中，如何進行起重機的額載、動載、靜載試驗，是困擾特種設備檢驗檢測機構和起重機械使用單位的一大難題。山西省特種設備檢驗研究院與太原科技大學聯合研發的大型起重機降載荷當量試驗方法，將在很大程度上解決這一難題，為降低試驗費用，提高試驗的經濟性和安全性提供技術支撐。

關鍵詞：大型起重機降載荷當量試驗方法

中圖分類號： U467.1文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1現狀分析

起重機靜載試驗是起重機結構承載能力檢測的重要手段，但在對大型橋、門式起重機進行載荷試驗時，受使用場地限制，大噸位試驗載荷的加載、準確控制，載荷及吊具準備，費用高昂，潛在的危險性高等因素使得載荷試驗在實施中存在諸多困難。因此，急需研究起重機系統載荷與變形的相關性，提出一種科學有效的降載當量試驗方法，能夠由小噸位載荷下的應力、位移反映大噸位載荷下的應力、位移，提高起重機載荷試驗的經濟性和安全性。

2試驗方法的研究成果概述

（1）建立了考慮非線性效應的起重機結構系統應力、位移與載荷的計算模型；

（2）提出了大型起重機降載當量試驗方法，采用BP神經網絡建立起重機結構系統應力、位移與載荷映射模型，更加趨近真實；

（3）提出基于相似理論的大型起重機降載試驗方法，采用應力相似比、位移相似比解決傳統具體檢測模型與計算模型之間存在差異修正時求解力學分問題的問題。

（4）提出起重機結構系統邊界非線性效應受跨度影響，建立起重機結構系統應力、位移與載荷、跨度的神經網絡映射模型；

（5）首次提出采用相似理論和神經網絡結合的方法，更加經濟、準確的獲得反映真實的，考慮非線性效應影響的應力、位移與載荷關系的降載試驗當量方法。

（6）首次提出和完成了達到國際先進水平的大型起重機降載當量實驗方法指南，作為特種設備安全技術規范草案，填補國內外空白。

3試驗方法的驗證及應用

自2012年1月-2014年10月，該院綜合應用大型起重機降載試驗方法體系中的多項成果，聯合課題參加單位太原科技大學對太原鋼鐵集團公司和陽煤化工等企業的新服役橋式起重機進行了降載當量試驗工程范例，系統的分析、比較不同降載比例對降載計算誤差的影響。根據試驗過程總結試驗中可能出現的影響測試的因素，完善試驗流程及試驗方案，提供了科學依據和技術指導。通過自主開發的“大型橋式起重機降載當量試驗軟件”，對100余臺額定起重量在20～125 t起重機以10 t為梯次逐步加載至靜載試驗要求，進行降載當量試驗檢測，并對降載比例在試驗中影響進行分析，對降載試驗方案完善。

4基于理論模型的降載計算方法

理論模型降載計算方法主要是，以基于一定的理想假定簡化的理論基礎上建立的參數模型為基礎進行計算的。代表方法是基于有限元的模型修正，即以降載載荷下測試的結構響應，修正結構模型，使結構計算模型響應與測試響應趨于一致，并以修正后模型預測計算結構在大載荷下的結構響應。

根據模型修正方法可以依據不同的準則進行分類。依據試驗加載方式和已知響應信息類型的不同，結構有限元模型修正分為基于動力信息（利用頻率、振型等信息）和基于靜力信息（利用位移、應變和曲率等信息）的方法。根據修正對象的不同，有限元模型修正又可分為矩陣型修正和元素型修正兩大類。模型修正算法又可以分為直接算法和迭代算法。具體的模型修正問題可以是以上情況的組合。

設靜力載荷作用下，基于原始有限元模型計算的結構彈塑性響應為 ，其測量值為 。一般情況下，計算值和測量值間存在一定的偏差， 。當測點數不少于待修正參數的個數時，可以通過最小二乘法，求得待修正參數的修正增量為：

（Ⅳ-1）

利用上述兩式，可通過迭代實現參數修正，具體步驟如下：

步驟1：進行第k+1次迭代時，利用有限元模型計算在已知參數 下的結構響應 ，與測量值 比較，計算響應誤差 。步驟2：計算靈敏度 。步驟3：計算結構參數的增量 。步驟4：修正結構參數 。步驟5：重復1～4，直至滿足收斂條件：

（Ⅳ-2）

（Ⅳ-3）

表示向量范數； 和 為判斷計算是否收斂設定的相對誤差。

靜力載荷試驗的結構有限元模型修正原理：利用結構靜力載荷試驗的實測響應，直接在結構有限元計算的基礎上，通過優化計算，不斷調整結構有限元模型的參數（截面特性或彈性模量），使得結構有限元模型計算靜力響應與結構實測靜力響應的差異最小，從而實現結構靜力有限元模型參數的修正。結構靜力有限元模型修正的結果是得到一個與當前結構“等價”的有限元計算模型，所謂“等價”指修正后的結構有限元模型在靜力受力-變形關系上接近于結構靜力才和測試結果。

結構靜力有限元模型修正過程按數學優化概念可表述為：在一定（合理）范圍內尋找合適的結構有限元模型參數，使得結構有限元模型計算的靜力響應與實際結構測試的靜力響應的差異最小。結構靜力有限元模型修正可轉化為對數學優化問題的求解：

（Ⅳ-4）

式中： 為待修正的結構有限元模型參數及； 、 為結構有限元模型參數集 上、下限（合理的結構參數取值范圍），是優化問題的約束條件。 為反映結構有限元模型計算靜力響應與結構實測響應差異的指標函數向量，是優化問題的目標函數。

形式、測試載荷工況及測試響應信息的不同，目標函數 有多種構造形式，通用的形式可表示為：

（Ⅳ-5）

式中： 是結構靜力載荷試驗的實測響應；

是與 對應的結構有限元模型計算靜力響應；

為結構靜力試驗荷載；

是單個函數時，為單目標優化問題， 是函數向量集時，為多目標優化問題。

轉化為標量的單目標函數形式：

（Ⅳ-6）

式中： 和 為第 個實測響應與對應的結構有限元模型計算靜力響應。

5結語

（1）通過本方法，可由大型橋式起重機在降載（小載荷）下的應力、位移測試值，預測計算靜載荷作用下的應力、位移值。

（2）由降載比例、儀器測試誤差與計算誤差之間的關系可以看出，測試載荷的降低，提高了對測試儀器精度的要求。

（3）該方法對具體實際大型起重機載荷試驗檢測具有較強的實用價值。

因此，該研究方法的提出，不僅適合我國起重機行業實際情況的安全狀況綜合評價方法和研究成果填補了國內外空白，具有創新性，而且為特種設備監督檢驗檢測機構和使用單位在對新裝、改造、大修、在用起重機進行載荷試驗時，提供了一個簡便、快捷、實用的檢驗檢測方法。

參考文獻

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