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桁架式起重机模态设计元件研究

Mariusz Żoacute;łtowski, Ph. D.

Michał Liss, Ms. C.

Bogdan Żoacute;łtowski, Prof.

Josef Melcer*, Prof.

University of Science and Technology，

Poland *) University of Zilina, Slovakia

摘要

码头起重机必须满足提供有用性以及不会危及其使用的安全性的相关强度要求。对结构安全危害的振动影响是由货物运输引起的水平力和风力引起的横向力的影响造成的，这对于正确运转可能是危险的。另外，环境的气候相关变化通常会产生严重的影响，材料疲劳会促使物体的退化状态。动态载荷可能会导致破坏结构或导致其灾难性破坏的随机效应。

认识到需要改进起重机结构的测试方法来评估其状况及安全因素——本文试图开发一种测试建筑起重机选定部分退化的方法——使用实验模态分析，在Inventor环境的模拟测试以及试验台研究中实现。

关键词：施工震动；退化状态；模态分析；稳定图

绪论

码头起重机的操作负荷（升降机）通常是随机的，因此很难间接评估其动态安全使用状态的变化。现在，通过放弃一些困难的实验研究而倾向于通过计算机模拟来缩短确定测试结构的破坏状态的时间。实验研究通过比较计算机模拟和物理实验的结果来验证仿真模型。为了确定载荷的变化，使用了作为刚体系统的动态模型，其中模拟了这些结构的工作条件[4,7,9,14]。

在用于确定可变负载的测量方法中，结构的选定点处的加速度或变形的波形的记录是系统对操作负载的响应。直接测量操作负载十分困难且昂贵，而且通常几乎不可能做到。因此通常通过结构模型的计算机模拟间接进行操作载荷的确定，在该模型中，结构模型响应的测量波形在与结构上的测量传感器对应的点上[1,2,3,5]。

桁架设计元素的动力学已经在使用模态分析技术的研究中进行了描述和验证。模态分析广泛应用于振动，结构修改，分析模型更新，状态控制等方面的损伤研究，也用于监测航空结构和土木工程力学中的振动[6,15,17,22]。模态分析已用于各种应用中，它是一种用于研究某些元素的动态特性的技术，使用模态模型参数，包括模态频率，阻尼和振动形状[17,25]。

本文介绍了港口起重机试验过程结构要素的动力学性能，并考虑了试验台的模拟试验及其验证。使用理论模态分析在Inventor计算环境中对所选择的桁架片段进行仿真研究的分析结果已经在试验台上使用该实验模态分析，该结果等同于港口起重机构造中使用的部件[5,17,23].。

施工中的振动描述

现代起重机施工设计中使用的基本标准之一是其动态特性。它们直接影响结构的振动水平，发出的噪音，疲劳强度和稳定性。在实践中遇到的大多数情况下，对动态特性的分析是基于建筑模型的行为[8,10,17]，因为真实对象的研究并不总是可行的。模型设计可以用于描述系统动力学的分析形式主义转化过程中，或者基于对真实客体进行的实验结果创建[11,16,21]。在后一种情况下，获得的功能测试对象（任何结构）是一个近似结果（测量）的函数。此功能具有重要的实际意义，因为它可以优化测试程序（测试条件，参数数量，ii次重复次数）。它也具有认知意义，因为它可以通过使用演绎方法和适当的逻辑推理被转化为对象的功能模型。这样的模型应该可靠地（充分）反映任何动态载荷处理的施工响应（压力，位移）。动态负载是一个负载值，方向，转向或着陆点随时间变化[12,18,23]。

研究指出了在施工设计阶段出现的主要问题，如：

bull; 确定作用于单个节点和设计要素的静态和动态载荷，

bull; 确定计算设计的选定区域的应力分布，

bull; 选择载荷最大的元素并估算其强度和耐久性（运行可靠性）。

确定拟议结构中变化性质的过程和极端动态载荷的价值需要特别注意。这种方法被认为是重要的，因为负载状态的指定的准确性取决于设计计算的正确性，并且可以得到可靠的操作以及操作优点（耐久性，运行成本）和制造成本的结果。

分析物体动力学的基本步骤通常是确定结构元素的频率振动（即振动测试件或振动台的频谱）。通常观察到，结构中随这些频率的随机振动受到快速衰减的抑制。但是当结构中的外部影响（确定性或随机性）也可能包括迫使频率接近结构的固有频率时，总是存在振动积聚的风险。

与应力的极值相关的动态载荷的最危险状态出现在共振的区域，即自身结构的最低频率的地方。这种情况可能会发生在气候影响，风，温度或过往车辆施工环境中的高速（位移）期间。通常发生在荷载结构节点的变化是一个衰减振幅的瞬态过程。

为了确定动态载荷的结构，应用了物理和数学建模的方法 - 图1。采用物理建模方法对试验台和专门准备的多边形试验进行结构模型试验。实验室测试可以显著缩短与多边形测试相关的实验持续时间。保持测试条件的可重复性也更容易[3.22]。

为了描述结构的动力学，采用了有限元法建立结构模型。然而，以这种方式构建的模型，尤其是以动态分析为目的，给出的近似结果是非常有限的。因此需要根据对真实对象测量的属性的知识进行一些微调[17]。

图1 港口起重机的视图和使用振动的动态状态的记录结果

该模型利用合适的坐标变换模型，确定了一组固有频率、阻尼因子及其相应的振动形状的结构模态模型。在识别实验的基础上，可以进一步确定模态模型[6.22]。

使用包含在所需片段或整个对象结构的振动图像中的信息（由估计器确定的振动来描述）是结构振动诊断的关注点。在这个领域，本研究的主要问题已经找到[3.23]。

在本研究中，振动信号是研究拆卸特定港口结构的基础，也是在振动工程建设领域中解决该任务的许多辅助程序。在本文中，振动领域的信息将会在文中多次被提及，特别是在描述和获取信号，确定振动估计器和统计处理结果以及对建筑结构的机械结构或部件(元素)的选定研究进行破坏的过程中[23]。

系统振动是由于受到弹性力、重力或摩擦力等因素的影响而产生的，它们是自由振动的系统，具有一定的自由度。这里假设违反平衡位置的初始条件：初始位置和初始速度。他是考虑技术系统最简单的模型——一种具有一个自由度（1质量m）并具有弹性（k）和阻尼（c）的线性特性的系统 ——图2，并且有一个谐波驱动力F (t)施加在它上面，运动方程公式为：

***
m x c x kx = F (t)	(1)

该公式表明，具有一个自由度的自由振动系统完全由振动频率决定。振动的幅度取决于初始条件，并且它们的自身频率和振荡周期是独立的。

图2 起重机的视图，作为具有一个自由度的建模系统的对象

在模型的描述(1)中出现的参数是振动的过程参数(a, v, x)，它表明振动很好地描述了结构的状态。

在低频范围内，结构可以由具有几个自由度的离散系统建模，并且通常具有一个自由度。因此，假设在实践中，图2所示的系统也可以是如下的模型[6.22]：

bull;在高分子量基础上安装有质量m的减震器(k, c)的施工机械。

bull;质量为m在减震器（k，c）上以理想的平坦方式移动的工程机械（车辆）。

bull;暴露于风力的高楼建筑（起重机，烟囱，塔楼）。

在第一种方法中，这些研究对象可以用具有一个自由度的系统建模，并且通过数学描述和描述它的方程分析来查看其属性，以测量振动参数（），但从测量系统的振动的方面来说，它作为解的结果描述了一个数学模型可互换地描述相同的性质。在工业实践中，通常会测量振动，避免复杂的理论考虑[17,22]。

在上述结构的操作过程中，由于用于构建所述结构的弹性中心材料中平衡状态的紊乱，导致存在许多外部因素（环境执行，其他结构的力）和内部因素（老化，磨损和撕裂，元件共同作用）。这些障碍是动态的，在惯性、弹性、阻尼和勒索状态之间保持平衡的状态。因此，这会导致波的能量耗散，衍射，衰减和重叠。源的存在和无序扩散导致结构元素和周围环境的振动[22]。这些现象已被映射到进一步提出的振动相互作用模型中。

由于结构中存在表示变换过程的输入和执行状态，因此会形成一系列的症状（符号），给出了从结构开始的过程中包含的度量。这些过程也是建立信号生成模型的基础，决定了建造，操作和描述毁坏物体变化的方法[6.17]。用于随机失真的结构的过渡振动信号模型的特征基于以下假设：

bull;结构的条件由每个强制单独生成的特征信号phi;i（t，theta;）唯一确定。 这个信号在动态时间（短）“t”和空闲时间（长） bdquo;theta;bdquo;的变化上发生变化。

bull;特征信号由一个确定的过程和随机n组成，其强度变化条件的特征是结构的破坏。

bull;作为内部相互作用映射的转换后的特征信号 - 结构的退化 - 被认为是y（t，theta;），最简单的情况是特征h（t，theta;）的测试结构元素对 力x（t，theta;）的响应。 考虑到广阔的空间（尺寸），这种信号的构造的“r”可以写成：

bull;结构的输出过程（有选择地）通过破坏性正反馈影响破坏过程并持续影响建筑物（元素）的状态，使原始信号（T，theta;）。失真。

bull;对于运行时间的固定值theta;i= const，所有结构被视为线性系统和静止系统，这些属性由脉冲响应h（t，theta;，r）或它们的变换来描述：拉普拉斯算子H（p，theta;， r）或傅立叶谱H（jomega;，theta;，r）。

bull;所描述的导致信号生成模型的假设序列以图3中的框图形式示出。

图3 通过施工测试件的信号框图

建模假定从任何接收点输出的振动信号可以用以下公式表示[6.22]：

从哪里：

bull;冲击转移函数h（*）考虑了材料的破坏性质，

bull;a（k）给出与收到地点“r”有关的不同总和权重。

以等式（3）的形式表示，在定时周期工作的对象激励的一般情况下，如何解释输出信号y（t，theta;，r）的方法是正确的，但并不总是如图4那么简单， 这表明随着高层建筑，烟囱，塔楼的风的影响而形成随机激励，并以复杂振动信号的形式记录响应。

图4 作为环境压力下建筑物信号生成模型的输出信号y（*）的特征信号变换phi;i（*）示意图[6]

该建模还考虑到这样的事实，即设计中任何地方的接收信号输出是所有基本事件phi;i（t，theta;，r）的答案的加权总和，总是以相同的顺序出现在动态传递函数h（t，theta;，r）脉冲上的特定点处 。这些效应相加并沿着不同参考轴进一步变换，信号接收“r”的变化也与透射率的变化有关。

通过FRF函数描述了通过结构模型的试件设计的振动信号转换 - 在实验模态分析中标记为输入处的振动力的激励与输出上的振动加速度的振幅之比。FRF函数的反演是透射率H（f），定义为对力的响应比[6.23]。

已经通过研究结构转换模型建立的振动过程的所指示的性质已经被进一步用于通过结构的建模部件或单元的各种结构检查过渡振动信号来评估结构部件的退化程度的变化。

施工状态的确定

复杂的提升结构系统的动力学研究的目的是评估动态载荷、反映退化状态并预测系统的正确行为时间。 随着负荷的增加，耐久性和可靠性要求的提高，以及在许多情况下需要非解构评估退化，所以分析结构动力学的重要性增加[6.23]。 由振动信号报告的对对象结构退化的变化反映了波动的振动水平或透射率变化，或从勒索点到收集点的FRF。

退化状态的质量测试是通过使用识别的方法进行的，分别使用这些频率中的变化评估，共振频率，振幅和衰减系数。

对于复杂的，通常是非线性的系统，为了识别结构的退化 - 使用模态分析。 作为其实施的结果，获得了基于稳定图的模态模型，该模型是自有率、相应的阻尼系数和自身振动形状的有序集合。基于模态模型的知识，可以预测目标响应在时域和频域上的任何紊乱[17,25]。

模态模型参数允许描述系统振动的方程解耦，其值由以下关系式确定[17,23]：

这些值描述了与r有关的特性 - 自身的频率和自身频率的变化直接与刚度或质量的变化量成比例，并且还取决于结构中增加的破坏位置[17,22,23]。

在实践中，以下类型的模态分析是有区别的[17]：

bull;需要解决它自己的问题所采用的理论性的结构模型的对象;

理论模态分析被定义为一个自己的矩阵问题，取决于质量矩阵，刚度和阻尼。 理论模态分析需要处理所采用的结构模型的自身问题[13,21]。 自己频率的指定集合，自身频率的阻尼因子和自身振动的形式允许在任何勒索，选择控制，构造修改和其他方面模拟结构行为。

从运动方程（在跳过包含阻尼部分的矩阵和外部载荷矢量之后）获得自己的频率和自己的矢量的分析。 然后，运动振动方程如下：

关于具有一个自由度的系统，该解决方案具有功能的形式：

在哪里——自身振动的幅度矢量

在插入上述方程并将二阶导数插入运动方程后，获得以下结果：

上述方程必须在任何时间t都满足 - 那么这就给出了一个代数方程组：<!--

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