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大型起重机相似理论与BP神经网络的减载试验方法

杨瑞刚，段志斌，陆毅，王雷，徐格宁

机械工程，太原科技大学，太原030024，中国

2015年6月11日收稿；2015年11月4日修订；2015年11月9日修订完

摘要

静载荷试验是监测和检测起重机起升能力的重要手段。然而，由于空间的限制，大型桥式起重机的试验存在着困难和潜在的危险。针对解决大型吨位起重机在试验过程中的加载问题，提出了一种基于相似理论和BP神经网络的等效试验方法。对某大型桥式起重机的最大应力和位移进行了小载荷试验，并结合相似结构起重机的训练神经网络，将应力和位移数据通过物理模拟逐步加载到材料工作范围内的静载荷试验载荷中。通过应力、位移和载荷的关系，可以预测起重机在静载试验载荷下的最大应力和位移。同时通过测量小吨位重量的应力和位移，可以预测大载荷的应力和位移，例如最大承载力，即额定容量的1.25倍。试验研究表明，减载试验方法能较好地反映大型桥式起重机的起升能力。根据负载为三峡1200吨桥式起重机的减载预测分析测试数据表明，载荷为1.25倍的额定起重能力，其预测位移与实际位移误差为零。该方法解决了大吨位起重机1.25次重负荷试验时，提升能力难以获得和容易发生试验事故的问题。

关键词：相似理论；BP神经网络；大型桥式起重机；减载等效试验法

1.引言

由于结构和边界条件的简化和假设，以及制造、运输、安装等方面的影响，起重机结构设计计算和有限元分析结果与最终实际提升能力存在一定的差异。在机械加工、造船、冶金、电力等行业，大型桥式起重机是处理各种贵重、重要设备和材料的关键物流设备。制造商、用户和监理部门都十分关注其最大提升能力。因此，根据TSG特种设备安全技术标准，通过对主梁结构静载试验（小负荷逐渐增加到1.25倍最大额定载荷），最大位移和变形测试评估的强度和刚度的主梁结构[1]。对于大吨位吊车，如500吨冶金桥式起重机或1200吨三峡电站桥式起重机，由于空间的限制，使得加载困难。静载荷试验的费用很高，而且试验非常的危险。故寻找一种有效的减载试验方法来预测静载作用下的应力和位移是十分必要的。

建立一个起重机结构的系统试验模型是很必要的，通过测试起重机在起吊载荷较小时的应力和位移，可以预测由重载引起的应力和位移。吴[2]和林[3]研究了小载荷下应力和位移试验数据的有限元模型修正方法。然而，在这种方法中有一个关于边界条件的假设，外部模型的修正点与实际响应是否一致是不确定的[4]。夏等人[5]研究了基于神经网络的结构起升能力预测方法，发现了初始结构缺陷。例如，实际和有限元计算数据训练样本之间存在一定的差异。潘等人[6]结合神经网络理论和模糊逻辑两种方法构造了非线性模型。王等人[7—9]基于相似理论和物理模拟研究了复杂结构的性质。俞[10]提出了用几何相似比来确定应力相似比，然后计算应力，将桥梁结构模型试验应用于工程检测的方法，但并没有反映原来的未知因素。蔡等人[11]研究起重机焊接主梁变形的模拟试验组合。玉等人[12] 探讨结构模型试验在工程检测中的应用。张等人[13]分析了起重机模型试验的相似性，用以确定模型试验的控制特性。胡等人[14]对佛山大桥全桥进行了模型试验研究。白[15]研究给定加工的广义相似规则松弛模型的原理，用以保证材料几何相似性方法的局限性。徐[16—17]介绍了相似理论和模型试验的一般应用。SIPPE等人[18]对结构与原型的误差进行了研究。陆等人[19]通过进行模型试验和数值分析，研究了集装箱起重机减隔震器的设计方法。崔[20]研究了基于静应变和位移测量的桥梁参数识别和承载能力评估。何[21]利用桥梁结构刚度静力法，研究了桥梁结构的最优识别和有限元模型。李[22]根据拱桥模型静载试验方法对桥梁的承载能力进行了评估，以提高其承载力。OGUZHAN Hasanccedil;ebi等人[23]改进了线性和非线性梁模型的人工神经网络方法。

为了解决现有方法的不足，提高负荷预测精度，本文提出了一种基于相似理论和BP神经网络的等效试验方法。在起重机工作范围内进行物理模拟加载试验，得到应力、位移和载荷之间的映射关系。通过相似载荷下的试验数据可以预测静载荷作用下的位移和应力，确定应力和位移的相似比。通过比较不同载荷下的预测误差，探讨减载率对试验精度的影响。

2.相似理论

相似理论应用于物理模拟中相关条件的确定。物理模拟是指模型及其原型的相同性质和数量。唯一不同的是各种物理量的比例。一般来说，同样的东西是物理模拟的。与数学建模相比，物理模型可以再现特定现象以及充分模拟模拟现象[24]。

2.1相似条件和相似关系

相关现象需要满足几何、载荷、边界条件等相似条件，用无量纲方法或方程方法确定物理量之间的相似关系。

几何、荷载、弹性模量、应力、位移等相似比的静力问题如下：

C_L =L_p / L_M ; (1)

C_F = F_P / F_M (2)

C_E = E_P / E_M (3)

Csigma; = sigma;_P / sigma;_M (4)

C_Y = Y_P / Y_M (5)

其中：

C_L—几何变量相似比,

C_F —负荷变量相似比

C_E —弹性模量相似比

Csigma;—应力相似比

C_Y —位移相似比

L—几何变量,

F —变载荷

E —弹性模量

sigma; —压力,

Y —位移,

p—原型,

m —模型

如果材料和边界条件相同，各种物理相似比之间的关系如下：

Csigma; = C_F / C_L² (6)

C_Y = C_F / (C_EC_L) (7)

样机在制造前不能进行物理模拟试验。应力和位移比的相似性是由载荷、几何形状和材料的相似比例决定的。

2.2起重机减载试验相似条件

起重机减载试验方法提供了在静载荷试验中预测应力和位移的计算模型，它是基于相似理论、相似结构在材料工作范围内的物理模拟试验和不同荷载作用下的应力、位移等物理模拟试验。

与相似模型试验不同，原型和模型是起重机减载试验方法中存在的结构。两者都能加载和测试应力位移。类似的应力和位移的比值由Eqs决定（4）（5）。随着从Eqs的几何和载荷的相似比。（6）（7）该方法更准确，能够消除几何和材料的不确定性影响。利用相似比的应力和位移得到Eqs。（4）（5）可以确定相似结构应力条件且位移相似比不随载荷变化而变化。

一个必须考虑的影响是材料厚度，结构复杂舱壁加强筋等。结构响应随材料范围内的载荷线性变化。几何尺寸展开，S跨度为单维几何，每个维的横截面为几何尺寸[25]。

对桥式起重机结构的静力响应进行了研究，其非线性影响因素主要是边界条件。必须以一致状态的形式满足边界支撑状态和连接，使吊车在相似荷载作用下具有相似的位移。为了确保类似的附加荷载、附加位移和位移产生的附加应力相似，应力和位移的相似比例不应随荷载变化。

从起重机结构中正应力和位移的计算公式出发，

其中： M—主梁最大弯矩

F—主梁荷载,

S—主梁跨度,

W—弯曲段模块.

其中： Y—中跨最大位移

P—轮压

I—截面惯性矩.

检查吊车设计时，结构的刚度必须满足要求，同时不得超过位移和跨度的限值[26]。如果跨度的相似比如下：

C_S = S_P / S_M = 1 (10)

其中： C_S —跨相似比率,

s —跨度

荷载的相似比如下：

C_F = F_P / F_M = F_P(RA)/F_P(RA) (11)

其中： F_P(RA) —样机额定载荷

F_M(RA) —模型额定负荷

位移相似比大约为1。如果是通过测试确定应力和位移的相似比，则不需要几何相似比。但是必须保证的是主梁截面几何形状相似。.

3.bp神经网络

BP神经网络是一种通过传播将信号传输到前端的建模方法。必须通过样本组调整权值和阈值，使网络输出和期望输出误差最小化。理论上，三层（单层隐层）神经网络能够逼近任意精度的n到m非线性映射[27]。

神经网络由于其泛化能力和容错性，在经验模型领域得到了广泛的应用。

3.1起重机减载试验的bp神经网络

由于相似吊车物理模拟试验数据存在不可避免的误差，在野外条件下的减载试验受到限制，减载试验相似载荷没有试验数据。跨度是一种非跨度系列起重机标准，采用bp神经网络进行泛化和容错。它可以挖掘有限测试数据中包含的信息。以吊重f、跨度s为输入，以吊车梁中跨最大应力和位移作为输出，以单极性s函数作为传递函数，建立三层神经网络。图1显示了神经网络模型拓扑图的起重机减载试验方法。

图1 神经网络模型拓扑图的起重机减载试验方法

3.2 bp神经网络学习算法

BP算法是一种误差梯度下降算法。当网络输出和期望输出不相等时，就会

输出错误

其中： G—输出误差

l—输出层神经元数

D_K—第k输出层神经元的期望输出

O_K—第k输出层神经元输出，由扩展到输入层：

其中： m—隐层神经元数,

n—输入神经元数目,

W_JK —从第j隐层神经元的连接权值第k输出层神经元，

V_IJ—从第i输入层神经元到第j隐层神经元的连接权值

X_I—第i个输入神经元

调整网络权值以减少误差，其调整总量：

其中： W_IJ—W_IJ的下降梯度

V_IJ—Y_IJ的下降梯度 

eta;—学习率比例系数

式中，常数eta;isin;（0, 1），反映了训练中的学习率。

3.3神经网络训练样本

人工神经网络建模方法是建立在经验基础上的。该方法涉及到训练样本的提取及其含义。神经网络模型研究了训练样本的含义，以便更接近起重机载荷、应力和位移之间的真实关系。根据GB/T790-1995规定的标准，跨越一系列不同跨度双梁桥式起重机，在0～1.25倍的额定负载范围内，按标准提升载荷加载顺序，增加荷载作为分析样本的应力和位移测试数据。

4.减载试验方法的验证与应用

桥式起重机主梁的允许位移值是由结构跨度和工作水平决定的。主梁中跨最大位移反映了整体吊车结构的变形情况。对于50 t（启动质量）A5（工作水平）标准跨度系列的双梁桥式起重机不同的箱形截面跨度，在工作范围内,汽车位于主梁的中间跨度，如图2所示。

图2 桥式起重机试验段荷载、应力和位移

从0到62.5 t（1.25次50 t）逐步加载，对最大位移和应力值主梁进行测试。图3显示了中跨的位移和截面。

吊车梁截面参数、应力测量点图如图3和表1所示。

图3 吊车梁截面尺寸图及应力测试位置

表1 50吨桥式起重机的主要参数和尺寸

跨距s／m	上板宽度b/mm	上板厚度delta;1/mm	下板厚度delta;2/mm	高宽比h/b	腹板厚度delta;0/mm
10.5	500	10	10	1000	6
13.5	500	10	10	1250	6
16.5	550lt; 全文共11107字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[16168]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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