基于風(fēng)險的公共交通型自動扶梯安全保障技術(shù)研究

1、2012年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目建議書項目名稱： 基于風(fēng)險的公共交通型自動扶梯安全保障技術(shù)研究 申報單位： 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 項目負(fù)責(zé)人： 李向東 聯(lián)系電話：電子郵箱： lxd1963 研究年限： 2012年03月至2014年09月 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局二一二年一月一、項目的意義和必要性（項目研究的重要性和緊迫性，國內(nèi)外同類研究進(jìn)展情況，本項目對安全生產(chǎn)重大事故防治的作用和意義）1、項目研究的重要性和緊迫性【基本背景】隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加速，大型起重機(jī)日益成為機(jī)械、造船、冶金等重大行業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。起重機(jī)按照工作的結(jié)構(gòu)與

2、性能可將其分為橋架型起重機(jī)與臂架型起重機(jī)兩大類，其中橋架型起重機(jī)又包含了門式起重機(jī)、橋式起重機(jī)以及梁式起重機(jī)。橋式起重機(jī)，又稱天車，通常坐落在企業(yè)生產(chǎn)車間上空，沿兩側(cè)軌道水平移動。在高空作業(yè)時，橋式起重機(jī)沿軌道向貨物快速移動，到達(dá)指定位置后，起吊貨物并搬運到目的地，尤其適用于企業(yè)車間。據(jù)統(tǒng)計，在室內(nèi)工作的起重機(jī)中，橋架型起重機(jī)占到了百分之九十以上，是數(shù)量最多、適用范圍最廣的一種起重機(jī)械。橋式起重機(jī)工況復(fù)雜，工作時受到的瞬間沖擊載荷很大，并且很多起重機(jī)工作時間長，工作環(huán)境惡劣，其金屬結(jié)構(gòu)工作時要經(jīng)受結(jié)構(gòu)疲勞損傷、周圍環(huán)境腐蝕以及復(fù)雜的工作載荷作用的綜合影響。橋式起重機(jī)的主梁是其重要的核心部件，承

3、擔(dān)著整機(jī)和相關(guān)配套電氣設(shè)備、被吊物體的全部質(zhì)量，是起重機(jī)的主要金屬結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大約占整機(jī)的70%。起重機(jī)主梁是一種典型的焊接結(jié)構(gòu)，其在焊縫附近存在咬邊、氣孔、裂紋等幾何缺陷，這些地方的應(yīng)力集中程度很高，由于應(yīng)力集中使焊接結(jié)構(gòu)局部范圍內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到較高的水平，從而使這些部位會較早的出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)破壞。橋式起重機(jī)主梁受到的是隨機(jī)的交變載荷，其結(jié)構(gòu)失效前很少會有明顯的宏觀塑性變形，而是在不斷變化載荷的持續(xù)作用下，先在結(jié)構(gòu)薄弱的位置產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，然后慢慢擴(kuò)張，當(dāng)損傷程度達(dá)到某個臨界點時，結(jié)構(gòu)的剛度就會產(chǎn)生劇變造成結(jié)構(gòu)崩塌，繼而產(chǎn)生災(zāi)難性事故。近年來，因為起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷而造成的事故時有發(fā)生。例

4、如，1992年10月，某煉鋼廠鑄造橋式起重機(jī)在進(jìn)行兌鐵水作業(yè)時，因為主梁下蓋板和走臺焊接部位疲勞引起裂紋擴(kuò)展，主梁中部突然斷裂致使整機(jī)坍塌造成嚴(yán)重事故；2007年4月18日發(fā)生在遼寧省鐵嶺市清河特殊鋼有限公司的一起起重機(jī)事故，造成了32人死亡、6人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失866. 2萬元。從八十年代至今，起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)破壞事故已有數(shù)十起，近年來，雖經(jīng)國家安全部門的大力整頓，但是起重機(jī)仍然事故頻發(fā)。另一個嚴(yán)峻的現(xiàn)實是，我國目前所使用的橋架型起重機(jī)大部分生產(chǎn)于上個世紀(jì)八十年代，投入生產(chǎn)工作的時間長且工況復(fù)雜，對于這些使用年限超過20年的起重機(jī)械，若不加分析地強(qiáng)制報廢，會造成社會資源的巨大浪費，因為主梁

5、的報廢則意味著橋機(jī)壽命的終結(jié)，往往造成巨大的財產(chǎn)損失，其代價是高昂的。因此，預(yù)測起重機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)損傷，對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)做出風(fēng)險評估和可靠性分析，是保障起重機(jī)，尤其是超期服役的起重機(jī)進(jìn)行安全可靠的生產(chǎn)工作運行的重要手段。目前，通過振動監(jiān)測手段已經(jīng)可以對起升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行壽命評估，但是針對起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)的監(jiān)測，如焊縫或母材開裂的狀態(tài)監(jiān)測還存在一定的困難，現(xiàn)有技術(shù)還處于研究階段，另外，現(xiàn)階段對起重機(jī)主梁進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)損傷與失效評估技術(shù)研究還比較少，部分關(guān)于起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的研究主要集中在安全校驗、力學(xué)強(qiáng)度計算分析和事故分析等方面，雖然也有少數(shù)對起重機(jī)承載能力等方面做出了分析

6、研究，但大多局限在某一方面，缺乏全面、系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)起重機(jī)械大多無設(shè)計壽命的要求，同時國家也無強(qiáng)制的報廢年限及標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷與失效評估技術(shù)的研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實性和迫切性?！敬嬖趩栴}】起重機(jī)械在安裝和生產(chǎn)使用過程中，易受到各種環(huán)境因素、人為因素等的影響，同時起重機(jī)械的主要受力金屬構(gòu)件自身性能也會在使用過程中不斷疲勞退化，在這些因素的作用下，一些構(gòu)件往往在沒達(dá)到設(shè)計使用壽命時就產(chǎn)生不同程度的破壞和損傷。這些疲勞破壞和環(huán)境等因素造成的損傷如果任其發(fā)展將會由量變到質(zhì)變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)脆性破壞甚至倒塌?？偨Y(jié)起來，起重機(jī)結(jié)構(gòu)失效模式大致有以下幾個方面:（1）由于疲勞裂紋的造成結(jié)構(gòu)破壞。（

7、2）局部失穩(wěn)引起整機(jī)破壞。（3）環(huán)境侵蝕、加工過程中的殘余應(yīng)力及溫度共同作用下對起重機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕源，以致減小其使用壽命。（4）振動及人為因素對機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的影響。這些潛在因素?zé)o時無刻不對結(jié)構(gòu)件的安全造成威脅，因此，起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)損傷識別監(jiān)測與失效評估技術(shù)研究對保障起重機(jī)安全運行來說顯得尤為重要。但是，現(xiàn)階段我國對于起重機(jī)械的安全監(jiān)測還存在以下幾個問題，制約了損傷檢測的發(fā)展。問題一：產(chǎn)品檢測水平不高主要表現(xiàn)在長期以來只能對起重機(jī)的短期性能指標(biāo)(出廠性能)作全面考核，而對產(chǎn)品的可靠性，如平均無故障工作時間(MTBF)，平均首次無故障工作時間(MTTFF)，使用可用度(A)等一系列長期性

8、能指標(biāo)極少涉及，對起重機(jī)故障模式、故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使國內(nèi)的起重機(jī)故障多、壽命短。問題二：傳統(tǒng)的檢測制度和手段不足以滿足安全需求現(xiàn)階段，起重機(jī)的安全保障主要依賴于定檢、特檢及日常維護(hù)。然而隨著起重機(jī)械大型化的發(fā)展，日常的維護(hù)需要消耗大量時間、材料及人工，而定檢、特檢有存在時間間隔，不能對各起重機(jī)械的運行情況做到實時掌握，缺乏突發(fā)事故的預(yù)防機(jī)理，并且現(xiàn)階段大多數(shù)的損傷識別技術(shù)都集中在靜力分析上，這種測試結(jié)構(gòu)損傷檢測法耗資大、費時多，在實驗實施過程中還要對結(jié)構(gòu)的正常使用進(jìn)行管制，影響生產(chǎn)，尤其重要的機(jī)械設(shè)備或工程建筑結(jié)構(gòu)在檢測時會對生產(chǎn)運行有很大的影響，從而無法實現(xiàn)對結(jié)

9、構(gòu)實時和長期的健康監(jiān)測。問題三：缺乏有效的損傷識別方法目前國內(nèi)外有關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷識別和模型修正的方法均是基于結(jié)構(gòu)整體性態(tài)響應(yīng)的模態(tài)分析理論建立的，而模態(tài)分析方法對局部的損傷并不敏感，損傷識別效果較差。而且對于像起重機(jī)這樣的大型復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)，刻畫其整體響應(yīng)模態(tài)是十分困難的。如何建立更為有效地模態(tài)分析理論和方法、并充分利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測積累的大量數(shù)據(jù)，對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)識別、評估其安全可靠性能、及時預(yù)警，是起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的目標(biāo)，也是當(dāng)前迫切需要解決的問題。問題四：現(xiàn)有結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)不統(tǒng)一不規(guī)范結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需要多種軟件及軟件環(huán)境，目前軟件的開發(fā)處于測量階段，即只能實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)量的測量，

10、對數(shù)據(jù)利用效率低，造成極大地資源浪費；另外，至今沒有健康監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一的設(shè)計指南、規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，致使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計比較混亂、無據(jù)可依、系統(tǒng)性能良莠不齊?！卷椖苛㈨椀谋匾浴酷槍σ陨蠁栴}，解決的關(guān)鍵就在于建立一套行之有效的故障檢測診斷系統(tǒng)，使其能夠更有效的對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別、預(yù)測疲勞壽命、分析金屬結(jié)構(gòu)的可靠性并對其風(fēng)險作出合理評估。我國當(dāng)前使用的橋式起重機(jī)大部分都是20世紀(jì)80年代以前生產(chǎn)的，出于生產(chǎn)成本的考慮，僅有少量的退役報廢，大部分進(jìn)入老化狀態(tài)的橋式起重機(jī)仍然在超期服役，老化問題口益突出，超期使用依據(jù)不足，風(fēng)險性較大。鑒于生產(chǎn)和工程中的實際迫切需要，為保證起重機(jī)安全可靠地

11、運行，盡量減少起重機(jī)災(zāi)難性事故的出現(xiàn)，對大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷與失效評估技術(shù)的研究有著重要的工程實用意義和理論研究價值。2、國內(nèi)外同類研究進(jìn)展情況本項目的關(guān)鍵技術(shù)涉及對大型起重機(jī)的關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別與失效評估。通過大量文獻(xiàn)檢索和查閱相關(guān)資料，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對橋架型起重機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究著力點主要在應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，另外也有一些針對起重機(jī)壽命預(yù)測等方面做出了分析研究，但對于損傷識別尚無過多涉及。損傷識別技術(shù)集中于土木、橋梁等大型結(jié)構(gòu)，由于技術(shù)條件限制以及大型機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等因素影響，專門對大型機(jī)械設(shè)備比如起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷識別的研究并不多。同時，我國對起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失

12、效準(zhǔn)則與剩余壽命評估原則的研究尚處于開始階段，這些方法大都停留在理論層面，并未和起重機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。因此，本項目將針對以下幾個內(nèi)容進(jìn)行研究，包括基于振動監(jiān)測的起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測研究、基于動力測試的全局性損傷識別研究、起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估研究和橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可靠性分析研究。2.1.國內(nèi)外起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行研究是為了準(zhǔn)確掌握起重機(jī)壽命信息、及時消除起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全隱患，為安全生產(chǎn)提供保障。為了準(zhǔn)確的對起重機(jī)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，許多學(xué)者對疲勞壽命的預(yù)測方法進(jìn)行了研究與改進(jìn)，隨著人們對疲勞機(jī)理研究的深入，現(xiàn)在已發(fā)展了多種疲勞壽命預(yù)測的方法?？梢哉f，疲勞壽命

13、研究是從1847年的德國開始的，當(dāng)時德國人Wohler用旋轉(zhuǎn)疲勞試驗機(jī)首先對疲勞現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了著名的S-N疲勞壽命曲線及疲勞極限的概念，奠定了疲勞壽命預(yù)測的理論基礎(chǔ)。1920年英國的Gri伍th提出了裂紋擴(kuò)展的能量理論，到20世紀(jì)50年代，誕生了建立在裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度理論基礎(chǔ)上的斷裂力學(xué)理論1。1963年P(guān)aris等用斷裂力學(xué)的方法表達(dá)裂紋擴(kuò)展規(guī)律，提出了著名的Paris公式2。Paris公式的誕生揭開了壽命預(yù)測的新篇章，為裂紋擴(kuò)展壽命的研究提供了新方法3。1924年損傷累積的概念首次被提出，1945年，Miner首次用數(shù)學(xué)公式表達(dá)了線性累積損傷理論4。疲勞累積損傷理論引起了人

14、們的廣泛關(guān)注，成為疲勞壽命研究的理論基礎(chǔ)之一。此外還有其它累積損傷理論如：非線性累積損傷理論、雙線性累積損傷理論等r71。L Burstein提出了根據(jù)設(shè)備運行時的熱量變化率預(yù)測設(shè)備疲勞壽命的熱診斷法5，由于此方法對監(jiān)測設(shè)備的要求較高，不便于工程應(yīng)用。發(fā)展至今，目前在工程結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測中常用的有：斷裂力學(xué)預(yù)測法、疲勞分析預(yù)測法、計算機(jī)仿真預(yù)測法以及在此基礎(chǔ)上的仿真分析和模型試驗等例。在我國，針對疲勞壽命的預(yù)測研究近年來逐漸深入。太原科技大學(xué)的徐寧格和左斌針對機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要破壞形式疲勞破壞，以橋式起重機(jī)焊接箱形主梁為研究對象，根據(jù)斷裂力學(xué)ParisErdogan方程，結(jié)合Miner疲勞損傷累積

15、理論，應(yīng)用實驗所得數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了疲勞剩余壽命公式。同時通過采集不同類型、不同額定起重量的起重機(jī)在一段時間內(nèi)相應(yīng)起重量的工作次數(shù)數(shù)據(jù)，模擬出了危險點處相應(yīng)的載荷譜，使用VC+為開發(fā)平臺，研制完成了橋式起重機(jī)疲勞剩余壽命評估軟件6。太原科技大學(xué)的史朝陽在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，將初始裂紋尺寸、臨界裂紋尺寸、應(yīng)力比、應(yīng)力變程等參數(shù)的隨機(jī)性納入考慮范圍，建立了橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞剩余壽命的可靠性模型，同時對可靠性的靈敏度進(jìn)行了研究7東南大學(xué)的謝堯林在有限元靜力分析基礎(chǔ)上，研究了利用Fe-safe進(jìn)行起重機(jī)疲勞壽命預(yù)測的方法，獲得了典型工況作用下的疲勞壽命云圖與安全系數(shù)云圖并根據(jù)云圖得到了起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命

16、分布狀態(tài)與安全裕度8。大連理工大學(xué)的蔡福海，王欣，高順德，趙福令比較了基于累積損傷理論的力學(xué)方法、斷裂力學(xué)方法、基于信息新技術(shù)的衍生方法這三類方法的優(yōu)缺點，給出了起重機(jī)應(yīng)用的適用范圍。結(jié)果表明：當(dāng)結(jié)構(gòu)受力明確時，可以采用名義應(yīng)力法和虛擬試驗法進(jìn)行評估，計算精度較高；當(dāng)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，建議采用熱點應(yīng)力法；重要結(jié)構(gòu)件的長裂紋擴(kuò)展計算可以結(jié)合缺口應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法提高計算精度；起重機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的評估可以采用狀態(tài)監(jiān)測法為評價體系框架，再根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的受力情況結(jié)合不同方法，以達(dá)到最有效的評估效果9。2.2.損傷識別研究現(xiàn)狀起重機(jī)長期工作于重載荷、多粉塵和溫差大等惡劣條件下，其結(jié)構(gòu)不可避免發(fā)生包括裂紋損傷、連

17、接松動等在內(nèi)的多種損傷。對于日益大型化的橋架型起重機(jī)來說，微小損傷、內(nèi)部損傷通常難以發(fā)現(xiàn)，損傷程度難以判別，更不用說去準(zhǔn)確定位損傷。作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)和既有結(jié)構(gòu)評估共同的核心技術(shù)，損傷識別成為近年來的研究熱點。國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)損傷識別做了大量的研究工作，主要分為確定性識別方法、不確定性識別方法以及動力指紋識別方法10。2.2.1確定性損傷識別方法（1）以無損檢測手段為代表的局部損傷識別技術(shù)無損檢測技術(shù)，在不對結(jié)構(gòu)造成損傷的前提下，通過使用各種射線、超聲波、聲發(fā)射等手段對結(jié)構(gòu)的薄弱位置進(jìn)行檢測，評估結(jié)構(gòu)的損傷程度11,12。該領(lǐng)域已有不少學(xué)者關(guān)注，Jordon,R.D等采用聲發(fā)射技術(shù)成功檢測了

18、橋式起重機(jī)主梁的載荷分布情況并對某一報廢起重機(jī)的破壞過程做了實時監(jiān)測。文中指出，通過聲發(fā)射技術(shù)可以獲得較動靜力學(xué)響應(yīng)測試更多的結(jié)構(gòu)信息0；吳占穩(wěn)針對起重機(jī)機(jī)械，對聲發(fā)射技術(shù)中信號的獲取、處理以及聲發(fā)源的定位等關(guān)鍵性問題做了相關(guān)研究14；王德昌、Ditchburn R.J.等也對其它無損檢測方法進(jìn)行了相關(guān)研究，并指出無損檢測是獲得起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)最直接的途徑，具有直接確定損傷及其位置、目的性強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點。（2）現(xiàn)代信號處理方法與人工智能技術(shù)現(xiàn)代信號處理方法，如小波變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法等避免了模態(tài)參數(shù)識別的中間過程，針對測得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行分析，通過比較損傷前后響應(yīng)信號的

19、變化量來進(jìn)行無模型的結(jié)構(gòu)損傷識別0。宋振華等研究了利用小波變換進(jìn)行裂紋檢測的方法，對傳感器檢測到的響應(yīng)信號進(jìn)行小波變換，獲取時域信號的能量比，根據(jù)能量比與裂紋狀態(tài)對應(yīng)的特征關(guān)系利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行狀態(tài)診斷并在LS-DYNA970軟件中進(jìn)行了數(shù)值模擬0；張敬芬采用BP算法訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其可以對損傷工況做出快速診斷，將這種方法應(yīng)用到一懸臂薄鋁板的損傷識別中，并針對不同種類裂紋的識別效果做了相應(yīng)比較0；Vakil-Baghmisheh利用遺傳算法來監(jiān)測可能發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)固有頻率，將懸臂梁的裂紋位置和深度的識別轉(zhuǎn)化為一個優(yōu)化問題，成功檢測了懸臂梁裂紋尺寸和位置0。2.2.2不確定性損傷識別方法研究現(xiàn)

20、狀（1）基于經(jīng)典概率統(tǒng)計的損傷識別在國內(nèi)，張清華基于概率可靠性理論構(gòu)造了三種損傷敏感因子，并用其在不同的噪聲水平下對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別0；顏王吉利用概率統(tǒng)計方法，考慮噪聲以及其他隨機(jī)因素造成的模型不確定的情況下完成了對一簡支梁的損傷識別0。在國外，Saito等基于概率統(tǒng)計理論提出了對損傷位置和損傷程度概率診斷的方法，并將該方法應(yīng)用于一五層鋼框架試驗?zāi)Ｐ蛽p傷識別中，準(zhǔn)確地估計了框架模型每層的剛度0。Hueste等考慮到結(jié)構(gòu)的不確定性，將這些不確定因素表示為隨機(jī)變量的分布，通過地震烈度和預(yù)測值的概率函數(shù)來定義結(jié)構(gòu)損傷因子進(jìn)行損傷識別，并應(yīng)用該方法對美國中部地區(qū)三類建筑結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了評

21、價0。以上基于概率統(tǒng)計理論的損傷識別方法都只用了數(shù)值仿真算例來驗證方法的有效性，其對結(jié)構(gòu)損傷與環(huán)境噪聲的模擬、結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)的仿真與真實工作環(huán)境和真實結(jié)構(gòu)的模態(tài)都會有一些偏差。所以目前很難把握應(yīng)用概率統(tǒng)計理論進(jìn)行損傷識別的準(zhǔn)確度，實際應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的方法還有待進(jìn)一步的研究與開發(fā)。（2）基于不確定性有限元模型修正的損傷識別不確定性有限元模型修正法通過模擬試驗測量數(shù)據(jù)與模型自身參數(shù)的不確定性，從而獲取相關(guān)參數(shù)的概率統(tǒng)計特性。在國內(nèi)為了有效地對不確定性進(jìn)行定量分析，張清華在數(shù)值計算過程中使用代理模型代替初始復(fù)雜的有限元模型來描述結(jié)構(gòu)輸入和響應(yīng)間的關(guān)系，通過使用代理模型來進(jìn)行蒙特卡洛抽樣23-25。在

22、國外，Papadopoulos等比較了損傷前后剛度的概率統(tǒng)計密度，利用蒙特卡洛抽樣法得出了誤差的協(xié)方差矩陣，依據(jù)剛度的概率統(tǒng)計密度確定了損傷概率因子與其置信區(qū)間，并將其成功應(yīng)用于三自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)和歐拉-伯努利懸臂鋁梁的損傷識別上0。Xia等把試驗測試以及有限元建模中的不確定性當(dāng)作隨機(jī)變量，采用蒙特卡洛抽樣法與攝動法推導(dǎo)出有限元模型的統(tǒng)計變化規(guī)律，通過區(qū)間估計法得出了相應(yīng)的損傷概率0。2.2.3動力指紋識別法研究現(xiàn)狀動力指紋由結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和由它轉(zhuǎn)換推演而來的參數(shù)組成，它可以很好的反映結(jié)構(gòu)整體的動力學(xué)特性并且與結(jié)構(gòu)的固有特性之間有著非常緊密的聯(lián)系。損傷前后結(jié)構(gòu)動力指紋會有相應(yīng)改變，所以可以通

23、過試驗測得的動力指紋反過來求解結(jié)構(gòu)的固有特性。目前常用的動力指紋有：基于頻率變化、基于振型變化、基于曲率模態(tài)、基于柔度差曲率、基于改進(jìn)剛度指標(biāo)和基于頻響函數(shù)這五種。華南理工大學(xué)的徐紅波研究了上述前五種動力指紋的特點，明確了基于動力指紋的主梁損傷分析步驟并將五種指紋用于橋式起重機(jī)主梁的損傷評定。通過將五種指標(biāo)用于主梁損傷定位分析，發(fā)現(xiàn)曲率模態(tài)和改進(jìn)剛度指標(biāo)在結(jié)構(gòu)前三階的定位效果最好。之后將曲率模態(tài)和改進(jìn)剛度指標(biāo)用于損傷程度識別，發(fā)現(xiàn)基于改進(jìn)剛度指標(biāo)指紋的程度識別能力較曲率模態(tài)指紋的程度識別能力更為敏感28。2.3.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估研究現(xiàn)狀20世紀(jì)五六十年代，歐美將風(fēng)險分析法最早應(yīng)用于核電廠

24、的安全性分析中，當(dāng)時人們意識到，由放射性物質(zhì)泄漏而導(dǎo)致的事故后果是極其嚴(yán)重的，故50年代中期，人們就試圖運用概率論來對核電廠的安全性進(jìn)行分析。而后，核電工業(yè)迅速發(fā)展，由于建址越來越接近于人口居住區(qū)，故而安全性對于核電工業(yè)而言也提出了越來越高的要求。三哩島核泄漏事故，是1979年3月28口發(fā)生在美國賓夕法尼亞州薩斯奎哈納河三哩島核電站的一次嚴(yán)重放射性物質(zhì)泄漏事故。檢查發(fā)現(xiàn)事故原因是由于堆芯嚴(yán)重?fù)p壞致使少部分放射性物質(zhì)泄漏到周圍環(huán)境中引起的。該事故是核能史上第一起反應(yīng)堆堆芯融化事故，事故雖然嚴(yán)重，但未造成嚴(yán)重后果，安全研究所預(yù)示著事故發(fā)展進(jìn)程，從此人們更加重視核電廠的概率安全性分析。該事件發(fā)生后，

25、核電廠的概率安全評估技術(shù)得了更進(jìn)一步的發(fā)展，人們提出了針對具體問題進(jìn)行風(fēng)險評估的風(fēng)險分析方法。菲律賓大學(xué)的一位學(xué)者Corazon Pe Benito Claudio在1988年曾撰文指出:定量的風(fēng)險評估過程在發(fā)展中國家?guī)缀醪淮嬖?9。風(fēng)險分析是一個關(guān)于項目規(guī)劃和實施的基本工具。其成熟的方法在美國和歐洲發(fā)達(dá)國家己經(jīng)很多，原因在于:對于發(fā)展中國家，由于研究資金往往難籌集到、缺乏練有素的風(fēng)險分析專業(yè)人員、缺乏與風(fēng)險有關(guān)的信息、風(fēng)險信息資源非常有限。進(jìn)入21世紀(jì)，風(fēng)險評估方法己廣泛應(yīng)用于中國的許多領(lǐng)域。信息安全領(lǐng)域30,31、地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域32、化學(xué)災(zāi)害領(lǐng)域33、結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域等34。風(fēng)險評估應(yīng)用于近海工

26、程，可以進(jìn)行碰撞風(fēng)險分析、爆炸風(fēng)險分析、火災(zāi)風(fēng)險分析等，將風(fēng)險評估法應(yīng)用在船舶碰撞與擱淺中時，不僅可以分析船舶碰撞與擱淺事故的概率，也可對船舶碰撞與擱淺的環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險評估以及船舶碰撞與擱淺事故中并進(jìn)行人因可靠性分析對于可靠性常被采用的方法有概率分析法與模糊數(shù)學(xué)法。但對于起重設(shè)備風(fēng)險評估方面，至今研究尚少。寧波市特種設(shè)備研究院的張鴻和阮航對起重機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)險的影響因素以及結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立和風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究分析，并結(jié)合實例對研究結(jié)果進(jìn)行了驗證35。上海交通大學(xué)的李波從腐蝕、裂紋、強(qiáng)度及變形四個方面考察了橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)潛在風(fēng)險，根據(jù)橋式起重機(jī)風(fēng)險因素的特點，應(yīng)用模糊綜合評判數(shù)學(xué)理論，

27、建立了以橋式起重機(jī)不同金屬結(jié)構(gòu)破壞為子系統(tǒng)的多層次綜合評判系統(tǒng)36。2.4.可靠性研究發(fā)展?fàn)顩r為了某種使用目的面設(shè)計，在給定的環(huán)境條件下能夠承受和傳遞可能發(fā)生的載荷作用，這種工程構(gòu)造通常稱為結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力37。第二次世界大戰(zhàn)期間，人們開始有組織的開展可靠性的定量研究38。為了進(jìn)行可靠性研究，美國于1934年成立“電子管開發(fā)委員會”、1946年成立“電子管專業(yè)小組”和航空無線電組;1947年成立“空軍器材指揮部”;1950年成立“空軍研究與開發(fā)指揮部”。日本于1956年開始引進(jìn)可靠性技術(shù)，并于1958年其科技聯(lián)盟成立了可靠性研究會。進(jìn)入60

28、年代，英、法、德及蘇聯(lián)等國家也開始進(jìn)行了可靠性技術(shù)的普及工作，從1961年美國將可靠性技術(shù)應(yīng)用到“阿波羅”號飛船的研制起，到1969年“阿波羅”號飛船在月球上著陸成功，顯示了可靠性技術(shù)的巨大效果。60年代是可靠性的普及時期，進(jìn)入70年代，許多工作國家己將可靠性技術(shù)用于更為廣泛的民用機(jī)械產(chǎn)品。我國從60到70年代，首先在電子工業(yè)和國防部門開始進(jìn)行可靠性的研究和普及工作，繼而在機(jī)械工業(yè)等其他部門也逐步推廣應(yīng)用，并收到了良好的效果。近年來，我國學(xué)者己將可靠性應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對于起重機(jī)安全性分析，我國的研究學(xué)者針對其可靠性較多，蒙特卡羅法39，40、故障樹分析法41、模糊數(shù)學(xué)法42，43現(xiàn)己被應(yīng)用于起

29、重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可靠性分析中。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在與本項目有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域做了大量值得我們學(xué)習(xí)和啟發(fā)的卓越成果，這些都將為本項目的順利開展和完成提供借鑒和幫助。3、本項目對安全生產(chǎn)重大事故防治的作用和意義由于本項目的研究是針對大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷和失效這一基礎(chǔ)性、普遍性問題，因此本項目的研究成果可以在技術(shù)研究單位的開發(fā)、設(shè)計、研究，生產(chǎn)使用單位的維護(hù)保養(yǎng)，檢驗單位的安全檢驗、風(fēng)險評價、可靠性分析，安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)的安全監(jiān)察中得到廣泛的應(yīng)用。另外，本項目是基于我國大多數(shù)大型起重機(jī)已經(jīng)接近或達(dá)到設(shè)計使用壽命，潛在安全風(fēng)險逐漸加大的現(xiàn)實情況而開展的，其成果可直接為與我國類似國情的國家使用，其研究方法也可以

30、為其他國家借鑒和參照。起重機(jī)所起重、運輸、裝卸以及安裝的物料都是大宗的重型物品，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失衡或是損壞，造成的損失和后果不可估量。因此，對于大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)損傷與失效評估技術(shù)的研究助于改善和緩解我國大型起重機(jī)安全事故有所抬頭、安全形勢不容樂觀的現(xiàn)狀，社會效益巨大是不言而喻的。同時，本項目也將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。對于那些已經(jīng)達(dá)到或超齡服役的大型起重機(jī)，如果按規(guī)定強(qiáng)制報廢將造成生產(chǎn)的停頓等一系列經(jīng)濟(jì)損失，而且，只要起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中的疲勞裂紋等控制在允許范圍內(nèi)，就可以保證起重機(jī)的安全運行，因此，本項目對于結(jié)構(gòu)的疲勞壽命的評估研究將有助于盡可能的在安全前提下延長起重機(jī)使用年限，避免不必要的浪費和損失。

31、【主要參考文獻(xiàn)】1袁熙，李舜酩，疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展J 航空制造技術(shù)，2005(12)：80842Paris Pc，Erdogan FA critical analysis ofcrack propagation lawsJJournal ofBasic Engineering，1963，85(4)：5285343張小麗，陳雪峰，李兵，等機(jī)械重大裝備壽命預(yù)測綜述J機(jī)械工程學(xué)報，2011，47(11)：1001164W'tkipediaFatigue(material)DB/OLhttp/enwikipediaOrg/wiki/Fatigue_(material)#Miner

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35、):368-375.17張敬芬,孟光,趙德有.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的薄板不同指標(biāo)裂紋診斷.機(jī)械工程學(xué)報, 2006, 42(3):145-149.18Vakil-Baghmisheh M T, Peimani M, Sadeghi M H, et al. Crack detection in beam-like structures using genetic algorithms. Applied Soft Computing, 2008, 8(2): 1150-1160.19張清華.基于概率可靠度的結(jié)構(gòu)損傷識別理論研究及應(yīng)用D.西南交通大學(xué), 2006.20顏王吉.單元模態(tài)應(yīng)變能靈敏度及其在結(jié)

36、構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用D.中南大學(xué), 2008.21Saito T, Mase S, Morita K. A probabilistic approach to structural damage estimation. Structural Control and Health Monitoring, 2005, 12(3-4): 283-299.22Bai J W, Hueste M B D, Gardoni P. Probabilistic assessment of structural damage due to earthquakes for buildings in Mid-Amer

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41、可靠性分析D上海交通大學(xué)，201037何水清，王善.結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計M.北京:國防工業(yè)出版社.1993.38何其麟，徐林躍.機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性M.北京:航空工業(yè)出版社.199339董良才，必為建.基于可靠性的集裝箱起重機(jī)疲勞裂紋擴(kuò)展控制J.中國工程機(jī)械學(xué)報，2007,5(4): 453-460.40龍靖宇，權(quán)秀敏，張軼蔚.蒙特卡羅法在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力一時間歷程仿真中的應(yīng)用J.煤礦機(jī)械，2006, 27(11): 136-139.41徐格寧，楊恒.基本故障樹方法的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)模糊可靠性分析J.起重運輸機(jī)械，2008, 7: 13-19.42李波，陳定方，孫世基，陶德馨.基于模糊故障樹的起重機(jī)

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43、套可視化界面以方便用戶操作；可靠性分析方面則主要基于Msc.nastran 及 Isight 平臺，對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析。具體地：1.1基于振動監(jiān)測的起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測 【研究內(nèi)容】（1）基于力學(xué)方法的研究內(nèi)容 以橋式起重機(jī)焊接箱形主梁為研究對象，根據(jù)斷裂力學(xué)ParisErdogan方程，結(jié)合Miner疲勞損傷累積理論，應(yīng)用實驗所得數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出疲勞剩余壽命公式。采集不同類型，不同額定起重量起重機(jī)一段時間內(nèi)相應(yīng)起重量的工作次數(shù)數(shù)據(jù)，以模擬出危險點處相應(yīng)的載荷譜。研制完成橋式起重機(jī)疲勞剩余壽命評估軟件。該軟件可模擬實現(xiàn)普通、鑄造橋式起重機(jī)的疲勞剩余壽命估算，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，（2

44、）仿真虛擬試驗方法研究內(nèi)容之一 （1）起重機(jī)應(yīng)變響應(yīng)有限元模型修正 （2）振動監(jiān)測系統(tǒng)與載荷譜識別 （3）結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點疲勞損傷可靠性計算（3）仿真虛擬試驗方法研究內(nèi)容之二 首先，應(yīng)用ANSYS對在上下小車分別位于主梁跨中位置、柔性腿端14跨位置以及上小車位于剛性腿端、下小車位于柔性腿端共同起吊額載載荷等3種典型工況作用下的龍門起重機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，獲得應(yīng)力分布云圖與位移云圖，仿真結(jié)果表明該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度符合GB3811-2008起重機(jī)設(shè)計規(guī)范要求。 其次，在有限元靜力分析基礎(chǔ)上，研究利用Fe-safe進(jìn)行起重機(jī)疲勞壽命預(yù)測的方法。分別將各工況有限元分析結(jié)果文件導(dǎo)入Fesafe，對

45、起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析。然后，將Fesafe計算結(jié)果再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行后處理，獲得3種典型工況作用下的疲勞壽命云圖與安全系數(shù)云圖。根據(jù)云圖可以得到起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布狀態(tài)與安全裕度。 再次，針對線性累積損傷理論存在的不足，提出順次累積的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法，建立了循環(huán)順次累積損傷模型(CycleSequential Accumulation Damage Model，簡稱CSADM)。與Miner方法、CartenDolan方法對比結(jié)果表明所提CSADM方法具有較高的預(yù)測精度。 最后，根據(jù)起重機(jī)實測應(yīng)變歷程數(shù)據(jù)編制載荷譜，應(yīng)用CSADM模型，在修正PS-N(Probab

46、ilityStress-Number)曲線的基礎(chǔ)上對該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。并將預(yù)測結(jié)果與Miner方法、CartenDolan方法以及Fesafe預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，最終確定該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。 【研究所需資源】 【研究過程】 【研究成果】1.2基于動力測試的全局性損傷識別 【研究內(nèi)容】（1） 基于支持向量機(jī)的起重機(jī)主梁損傷評價 為了有效評估起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，以動力指紋SVI特征量為輸入指標(biāo)對起重機(jī)主梁進(jìn)行了損傷研究，以評估起重機(jī)主梁的損傷。支持向量機(jī)回歸預(yù)測流程如圖1所示。圖1 支持向量機(jī)回歸預(yù)測流程圖（2）基于模糊分析的起重機(jī)主梁損傷評價 ansys 軟件為工具對起重機(jī)進(jìn)行有限元仿真，起重機(jī)主梁設(shè)置損傷，通過有無損傷前后結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)、振型的變化來