異型鋼結構制作及安裝精度控制技術分析

唐寅兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

鋼結構構件的體積比較大、結構設計上也比較復雜，具有更好的抗震性能和可靠性，如今，在人們的日常生活和現代工業生產中發揮著十分重要的作用，也被廣泛應用到建筑、工業廠房、機場以及大型海洋石油平臺等領域中[1]。在異型鋼結構的制作以及安裝過程中，通常采用從下到上的建造方法，導致鋼結構的施工時間變長，因此，在現代工業領域中，異型鋼結構分層同時建造、最后以整體的方式組裝早已經成為現代工業發展的主要流行趨勢[2]。

異形鋼結構在制作過程中，上層與下層甲板、鋼結構的層間立柱都存在一定的制造誤差，為了保證異型鋼結構在制作和安裝過程中符合精度要求，需要適當調整異型鋼結構的定位位置和安裝誤差[3]。在異形鋼結構的施工過程中，通過調整甲板片所處的位置，來判斷異型鋼結構所處的位置是否滿足其制作和安裝精度要求，還要將甲板片與安裝位置吊離，校正甲板片和立柱的同時，還要經過反復的吊裝和測量，直到異型鋼結構的制作和安裝精度滿足技術要求[4]。對于異形鋼結構來講，可以通過事先裝配的方式，減少安裝位置上的返修，提高異型鋼結構制作以及安裝的精度，但是對于異形多層鋼結構而言，事先裝配是很難實現的，因此，可以看出異型鋼結構制作及安裝精度控制是異形鋼結構在整體組裝方面的一個技術難點。

1 異型鋼結構制作及安裝精度控制技術設計

1.1 鋼結構制作及安裝變形的有限元分析

采用ANSYS軟件對各層鋼結構安裝變形進行分析計算。鋼結構具有結構復雜、構件眾多的特點，細長桿結構是其主要結構[5]。針對鋼結構的規模及以構件作為主體結構的特點，一般采用梁單元進行建模。梁單元是一種基于一維簡化的三維結構，采用梁軸變形運動代替實體變形運動；相對于實體單元和板殼單元，計算效率有很大提高，因此，采用APDL語言對ANSYS進行參數化建模，實現鋼結構制作及安裝變形的有限元分析。

假設鋼結構的施工區域為一塊強夯土區域，根據施工場地的巖土勘察報告，將強夯土地基劃分為四個層次，每一個層次的參數如表1所示。

表1 鋼結構施工場地強夯地基的各層參數

將SRID 92和SRID65應用到強夯地基建模過程中，利用Solid65能較好地模擬鋼結構施工土體的非線性特征，而Solid92能較好地劃分施工場地的不規則網格。用Drucker-Prager理想彈塑性模型計算土料的特性，由內摩擦角φ、膨脹角β和粘聚力℃定義，其中β是由φ決定的。鋼結構施工地基的約束條件為：底部約束垂直方向，不允許基礎橫向位移[6]。

經過鋼結構制作及安裝變形的有限元分析，鋼結構在前三層甲板片安裝時經常會出現比較大的變形，因此，在施工過程中，需要在設備的下方增加一個臨時的支撐點，以此來加固鋼結構[7]。

根據鋼結構的規模及特點，采用APDL語言對ANSYS進行參數化建模，結合鋼結構施工場地強夯地基的各層參數，對鋼結構制作及安裝變形進行了有限元分析，接下來通過建立異形鋼結構制作及安裝精度控制模型，來消除脈沖頻率對異型鋼結構制作及安裝精度的影響。

1.2 建立異型鋼結構制作及安裝精度控制模型

異型鋼結構在制作及安裝過程中，采用計數法來建立精度控制模型，計數法的原理是采用相同的自變量對鋼結構的主軸轉動頻率進行離散化變形，鋼結構制作設備的主軸轉動頻率為f(t )，鋼結構安裝設備的轉軸頻率為f(s )，設備的轉動角度為θ，設備的行進步數為s ，那么異型鋼結構制作及安裝精度控制階段在離散化變形前后的f(s )-f(t )模型如圖1所示。

從圖1的模型中可以看出，f(t )異型鋼結構經過離散化變形后，將變得更加緊湊，說明異形鋼結構制作及安裝精度控制有所加強。在控制過程中，精度控制的時間間隔是越來越小的，這樣可以有效避免精度控制指令由于設備轉速比較低而出現失效現象。

圖1 離散化變形前后的f(s )-f(t )模型

采用函數來表示異形鋼結構制作及安裝精度的控制模型，將脈沖設為自變量，異型鋼結構制作及安裝過程中產生的脈沖信號，都會使鋼結構施工設備產生轉動和步數[8]。假設異型鋼結構在制作和安裝中一共產生N 個脈沖信號，采用k 表示脈沖當量，設備的轉動角度可以表示為θ=Nk ，那么制作及安裝設備逆向轉動速度與轉動角度之間的函數關系為：

根據設備逆向轉動速度ω與轉動角度θ之間的函數關系，可以求出設備逆向轉動速度ω 對異型鋼結構制作及安裝中負載的運動模型，表示為：

其中，J 表示負載的轉動慣量，KT表示負載的轉矩因子，T0表示磁力轉矩。

初始化異型鋼結構的制作及安裝工作，設精度的控制是從0時刻開始的，分析圖1可以求解得到異型鋼結構負載運動模型的解，將其表示為：

以上通過對異型鋼結構在制作及安裝精度控制階段進行離散化處理，得到了離散化變形前后的模型，根據制作及安裝設備逆向轉動速度與轉動角度之間的函數關系，求出逆向轉動速度對異型鋼結構制作及安裝中負載的運動模型，利用異型鋼結構制作及安裝精度控制模型的函數，建立了異型鋼結構制作及安裝精度控制模型，接下來通過異型鋼結構制作及安裝精度控制流程，來實現異型鋼結構制作及安裝精度的控制。

1.3 控制異形鋼結構制作及安裝精度

基于異型鋼結構制作及安裝精度控制模型，需要采用細分驅動的控制方法，來實現異型鋼結構制作及安裝精度的控制。細分驅動控制的原理如圖2所示。

圖2 細分驅動控制原理圖

細分驅動技術是利用分片驅動，將制造安裝設備的旋轉角度劃分為小范圍進行控制的一種技術。該控制技術的控制效果顯著、穩定性強，可有效減少制造及安裝設備中低頻振蕩對精度控制指令的影響[9]。利用單片機控制器來調用濾波電路，消除制造安裝設備旋轉信息中的滯后角，實現細分驅動控制。濾波器電路可以去除的最大噪聲對比表見表2。

表2 濾波器電路可以去除的最大噪聲對比表

消除了制作安裝設備的滯后角，可以實現對制作及安裝設備旋轉信息的雙向操作。濾波電路將制造安裝設備無遲滯角的旋轉信息反饋給單片機控制器，通過細分驅動控制，將制造安裝設備的旋轉角度細分為N個區域進行精度控制，得到N個交流電信號。將N個交流電訊信號進行電壓放大，并將電壓放大傳送至存儲器；另一方面，濾波電路需要在制造安裝設備的旋轉信息的MCM電路中進行模數轉換，然后進行差分放大，最后傳送到存儲器[10]。

以上提出的精度控制方法對制作及安裝精度的控制結果，將與細分驅動控制指令的結果呈現出一種正弦規律或余弦規律，那么異型鋼結構制作精度控制指令信號和安裝精度控制指令信號分別為：

綜上所述，通過對鋼結構制作及安裝變形進行有限元分析，建立了異型鋼結構制作及安裝精度控制模型，結合異型鋼結構制作及安裝精度控制流程設計，實現了異型鋼結構制作及安裝精度的控制。

2 實驗對比分析

2.1 異型鋼結構制作及安裝精度控制速度對比測試

實驗以脈沖頻率為自變量，分別采用提出的精度控制技術、傳統精度控制技術測試了異型鋼結構制作及安裝精度控制速度情況，實驗結果如表3所示。

表3 精度控制速度對比結果

從表3的實驗結果可以看出，采用傳統精度控制技術來控制異型鋼結構的制作及安裝精度時，由于該技術缺少對鋼結構制作及安裝變形的有限元分析，導致鋼結構的穩定性變弱，從而減慢了精度控制速度；采用提出的精度控制技術來控制異型鋼結構的制作及安裝精度時，該方法不僅對鋼結構制作及安裝變形進行了有限元分析，還建立了精度控制模型，使得異型鋼結構制作及安裝精度的控制速度明顯比傳統精度控制技術快。

2.2 異型鋼結構制作及安裝精度控制誤差對比測試

實驗以脈沖頻率為自變量，分別采用提出的精度控制技術、傳統精度控制技術測試了異型鋼結構制作及安裝精度控制誤差情況，實驗結果如表4所示。

表4 精度控制誤差對比結果

從表4的實驗結果可以看出，在異型鋼結構制作及安裝精度控制誤差方面，提出的精度控制技術明顯優于傳統精度控制技術，經計算，提出的精度控制技術得到的控制誤差平均值為8.743 kHz，而傳統精度控制技術得到的控制誤差平均值為353.63 kHz，因此，可以得出提出的精度控制技術可以有效減小異型鋼結構制作及安裝精度的控制誤差。

3 結語

本文提出了異型鋼結構制作及安裝精度控制技術分析，通過對鋼結構制作及安裝變形進行有限元分析，建立了異型鋼結構制作及安裝精度控制模型，結合異型鋼結構制作及安裝精度控制流程設計，實現了異型鋼結構制作及安裝精度的控制。實驗結果顯示，提出的異型鋼結構制作及安裝精度控制技術具有較高的控制性能。