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                        折臂式高空作業車風振疲勞損傷破壞系統研究

                        添加時間:2019/07/19 來源:中國礦業大學 作者:蔣紅旗
                        本文通過現場實測、理論計算和數值模擬分析了高空作業車的風振響應和風振疲勞問題,對高空作業車建立了符合工程實際的有限元計算模型,針對折疊臂式高空作業車不同作業工況,分析了其動力特性。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          高空作業車是運送人員和器材到達指定作業高度,進行特種作業的專用車輛,廣泛應用在船舶、建筑、市政建設、消防等各行業。隨著作業高度的增加,作業臂長細比越來越大,對風荷載越發敏感,風荷載也成為控制結構設計的主要荷載。目前,對于該類結構的風荷載模型、風致振動特性以及風振作用下的損傷評估仍然存在著一些亟待解決的問題。本文綜合應用理論分析、數值模擬和實驗測試等方法,對GKZ型折臂式高空作業車的風振疲勞損傷破壞機理及動力可靠性進行了系統的研究,取得如下成果:

                          (1) 針對 GKZ 型折臂式高空作業車的結構及工況特征,基于湍流風場建立了高空作業車風振響應的風荷載模型,模擬得到了隨機脈動風載作用下作業車結構表面的風壓分布規律、流場的分布特征、風振系數和風載體型系數的變化特征;給出了適用于高空作業車抗風設計的等效靜力風荷載及風荷載體型系數。

                          (2) 分析了折臂式高空作業車的動力特性,研究了隨機脈動風載荷作用下折臂式高空作業車的時域與頻域風振響應規律。得到了在最大作業高度和最大作業幅度兩種極端工況下,高空作業車位移、加速度響應的的變化規律。

                          (3) 建立了考慮風與結構耦合效應的折臂式高空作業車流固耦合模型,并給出了作業車響應的時域和頻域解,得到了風與結構耦合作用對高空作業車風振響應特性的影響規律。分析表明:作業車最大作業幅度工況順風向位移響應比最大作業高度工況時大;且隨風速的增大,風與結構耦合效應對作業車的影響更趨明顯。

                          (4)設計了風荷載作用下折臂式高空作業車動力響應的現場測試系統,測定了折臂式高空作業車在隨機風載荷作用下的時域和頻域特性,實測結果與數值模擬結果具有較好的印證性。

                          (5)提出了基于結構強度及變形位移響應首次超越量的動力可靠性判別方法,建立了考慮平均風速和風向隨機分布特征的折臂式高空作業車動力可靠性模型,分析揭示了折臂式高空作業車的疲勞累積損傷破壞的機制,并預測了其風振疲勞壽命及可靠性。

                          關鍵詞:折臂式高空作業車;風與結構耦合效應;時頻特性;疲勞損傷;動力可靠性

                        Abstract

                          Aerial platforms are special vehicles used to perform special operations. In recent years, as the operating height increases, the slenderness ratio of working arms becomes larger, and the arms are more sensitive to wind load, which becomes a main load in the design of control structure. Up to now, the research on wind-induced response of aerial machines is still lacked, there still remain many problems to be solved, such as the wind-induced vibration characteristics, and damage evolution under wind vibration.In-site tests, theoretical calculation and numerical simulation are adopted to study the fatigue damage under wind vibration and dynamic reliability of GKZ folding-jib aerial platforms. The following conclusions are obtained.

                          (1) The wind load model of aerial platforms wind-induced response based on turbulent wind field is established on the structure and working conditions of GKZ folding-jib aerial platforms.Simulation demonstrates the surface wind pressure, flow field distribution, wind vibration coefficient and shape coefficient of the aerial platforms under fluctuating wind load,the equivalent static force and shape coefficient of wind load in the wind-resistant design of aerial platforms are calculated.

                          (2) The dynamic characteristics of folding-jib aerial platforms are analyzed, the time domain and frequency domain response characteristic of folding-jib aerial platforms under fluctuating wind load is studied, and the displacement and acceleration response characteristic of aerial platforms under the maximum operating height and the maximum operating amplitude are obtained.

                          (3) The fluid-solid coupling model of aerial platforms, in which the wind and structure are coupled is established,and the solutions of time domain and frequency domain are shown,Simulation demonstrates the effect of wind and structure coupling on wind-induced characteristics. The results show that:the displacement along wind direction respond of platforms are greater than those under the maximum operating height;As the wind speed increases, the wind and structure coupling effact platforms more obviously.

                          (4) A field test system of wind-induced response of aerial platforms under motive power is designed, and in-site tests show the time domain and frequency domain characteristics of folding-jib aerial platforms under random wind loads. The in-site tests verify the numerical simulation well.

                          (5)The discriminant method of dynamic reliability based on structure strength and deformation first transcendence is presented, dynamic reliability model of folding-jib aerial platforms is established and considering the average wind velocity and wind direction random distribution,The accumulative damage mechanism of the folding-jib aerial platforms are analyzed ,and the fatigue life and reliability of wind vibration fatigue are predicted.

                          There are 99 pictures, 29 tables and 181references in this dissertation.

                          Key words:folding-jib aerial platforms; fluid-structure interaction with wind and aerial platform; time domain and frequency domain characteristic; fatigue damage; dynamic reliability

                         

                          高空作業車是運送工作人員和器材到達指定的作業高度,進行特種作業的專用車輛[1]。作為一種工程機械設備,高空作業車廣泛應用在船舶、建筑、市政建設、消防等行業,隨著城市化進程的加快,高層建筑物、冷卻塔、電視塔等日常維護、設施安裝與更換、探傷檢測、應急救援和消防等工作對高空作業機械有著較大的市場需求。

                          二十一世紀以來,高層建筑和高聳結構日益增多,國際著名高空作業機械生產企業研發生產的新產品具有更高的作業高度,百米以上高空作業機械越來越多。尤其是芬蘭博浪濤(Branto)公司的 HLA 系列巨型高空作業車,最大作業高度達到112m,最大作業幅度達 33m 不但滿足了整車作業高度要求,而且具有良好的行駛性能和更強的承載能力。

                          隨著作業高度的增加,作業臂長細比越來越大,對風荷載變得十分敏感,風荷載往往成為其控制結構設計的主要荷載。自然風在流動過程中由于受到地面各障礙物的影響,其速度呈現出隨機脈動特性。一般認為,在自然風作用下,結構的風荷載是由兩部分組成[2]:一是平均風作用下的靜風荷載,二是脈動風作用下的隨機脈動荷載。靜風荷載可能使結構產生較大的變形,一般可由靜力分析獲得;而脈動風載荷會引起結構的振動,持續的風激振動會引起結構的疲勞損傷,對作業平臺上的操作人員也會有不舒適感。

                          近年來,全球氣候的變化導致風災發生的頻率逐漸提高,時?梢娪捎陲L災造成財產損失和人員傷亡的報道。2011 年 5 月,徐工重型機械集團 140T 車載起重機在試車時,因高空風導致主臂折斷,造成三人傷亡;2015 年 9 月,沙特阿拉伯麥加一大型塔吊由于暴風倒塌,造成 107 人遇難,238 人受傷。2002 年 4 月,湖南一總高度約 70m 的鋼鐵塔,由于大風作用突然倒塌。因此,對于這些大型高空作業類機械的安全防風設計及管理必須給予足夠的重視。

                          當前,雖然在高層建筑和高聳結構的風振理論研究方面取得了非常豐碩的成果,但對高空作業類機械的風荷載理論研究工作還遠遠不夠,對高空作業機械的風振響應問題,目前還沒有一套成熟通用的理論。尤其是在國內高空作業車的研究領域,在風載荷的計算上缺乏相對準確、在使用上簡便易行的設計規范,大部分的產品設計借鑒于現有的《建筑結構荷載規范》和《起重機設計規范》中的有關規定,利用規范給出的風振系數計算公式確定高空作業機械的風荷載,存在很大的經驗性和盲目性。

                          隨著 21 世紀結構工程復雜化的發展趨勢,如何獲得合理的等效風載荷,精確高效地進行高空作業機械在風荷載作用下的安全性和可靠性分析,是當前亟待解決、且意義重大的課題,這就需要不斷發展現有高空作業機械風振響應的理論和方法,深入研究風致振動引起的結構疲勞和可靠性問題,對于保障高空作業機械使用安全,預測剩余壽命等具有重要的實際意義。

                          多年來,國內外學者對高空作業機械在設計方案、結構分析、電氣系統、液壓系統、穩定性等方面的研究取得了豐碩的成果。Pan[3]等人運用統計方法分析了多起高空作業車的事故成因,從設計角度提出若干改進的建議。Smith[4]針對使用鋁材料的高空作業平臺焊縫處的疲勞破壞進行了詳細的分析。Giguere 和 Marchand[5]研究了在高空救援過程中,人體跳下時的姿態動作對人體所受沖擊載荷的影響,并給出了較為合理的人體下跳姿態。Krasucki[6]等人建立了混合動力驅動的高空作業車控制模型,采用 Matlab/Simulink 對控制系統進行模擬仿真。

                          我國高空作業機械發展起步較晚,從上世紀 80 年代開始,撫順起重機總廠、武漢起重機廠、徐州重型機械廠等開始著手研制高空作業車和登高平臺消防車。經過幾十年的努力,在引進國外先進產品的基礎上,充分學習、吸收先進技術,對高空作業機械產品的研究取得了豐碩的成果。

                          在設計方案方面,滕儒民[7]對大作業高度的高空作業車進行了基于相似理論的作業臂截面設計、平臺軌 跡規劃、運動控制方法及其系統平臺開發的研究。車仁煒[8]等人分析某型高空作業車擺臂機構的結構特點,從滿足運動學及動力學要求出發,提出了選擇合理的機構形式、運動副類型和數目及合理的尺寸搭配方法。李長青[9]以登高平臺消防車為例,以梁、板、實體單元建立有限元模型,進行結構分析,取得了理想的計算效果;舒興祖[10]分析了 27 米自行直臂式高空作業車的結構特點,設計了該型高空作業車的狀態監測系統和故障診斷系統;朱世強[11]將機、電、液一體化技術應用于高空作業車的調控系統,協調控制高空作業車的各作業臂,使高空作業車的操作更加靈活、方便。動力學特性分析是高空作業車的研究重點之一。滕儒民[7]運用拉格朗日方程建立了直臂式高空作業車的動力學模型,討論了臂架剛度、載荷、阻尼、變位速度對作業車整體振動的影響;杜羽寅[12]采用“質量-彈簧”系統模擬高空作業車的工作臂結構,利用結構力學方法,研究了工作平臺的振動規律;張桓奇[13]采用復數向量和空間旋轉坐標張量推導了高空作業車平臺工作空間位置方程。殷時蓉[14]等人建立了混合式高空作業車的動力學模型,運用 ADAMS 軟件,進行動態運動的仿真,得到了作業平臺的運動規律及各關節驅動力矩變化規律;王碩[15]等人以伸縮臂式高空作業車為研究對象,運用 PID 控制方法,對作業平臺的軌跡進行跟蹤控制,并模擬了作業平臺的直線運動和刷墻運動規律。

                          對臂架結構的強度分析也取得了豐碩的成果。文獻[16-19]運用有限元法對高空作業伸縮臂進行了應力、變形、模態分析和結構優化,并針對受力薄弱點,提出改進方案;王津[20]對 25m 自行式高空作業車的作業臂進行有限元建模,對其在六種典型工況下的結構進行剛度、強度和穩定性分析;邵海[21]等人比較了各種建模方法對有限元分析結果的影響;王欣[22]等人用線性、非線性有限元法對伸縮式箱形臂架高空作業車進行差異性分析,強調了非線性計算的必要性;李淮[23]等人對折臂式高空作業車進行動力學仿真。

                          隨著高空作業類機械的市場竟爭日趨激烈,以減輕自重,降低成本為目的高空作業車優化設計也越發引起研究人員的重視。王津[20]、蔣紅旗[24]等人以作業臂自重為優化目標,以臂厚為設計變量,運用有限元法對高空作業伸縮臂進行了結構優化,達到了降低自重的目的。王鑫[25]、何清華[26]等人建立了折臂式登高平臺消防車變幅機構和調平機械的優化計算模型。杜祥寧[27]利用結構優化算法,開發出直臂式高空作業車方案設計的參數化軟件,并在產品的設計中得到運用。

                          為保證高空作業安全、平穩而設計的調平系統是高空作業車的關鍵技術。近年來,機、電、液一體化的調平系統在高空作業機械應用廣泛。宋曉光[28]、陳華波[29]對伸縮臂式高空作業車的電液比例調平系統進行聯合仿真,分析了該調平系統的調平能力;董大為[30]、胡元[31]對 Simon-Cella 高空作業車電液自動調平機構的液壓部分和電控部分進行分析,總結了該車調平機構的主要特點;分析了高空作業車工作平臺常用的五類調平機構的工作原理、結構特點及使用范圍,為研究和設計高性能的高空作業車提供了有益的參考;滕輝[32]以 CDZ22 型高空作業車為研究對象,采用高速開關控制錐閥、高速開關控制滑閥、比例伺服閥等三種電液控制方案,實現其作業平臺的自動調平;李景剛[33]通過理論分析,綜合運用微電子技術和液壓控制技術,極大地改善了高空作業平臺的調平性能,并用實驗加以驗證;蘇沖[34]等人闡述了 CDZ50 登高平臺消防車作業平臺自動調平系統的工作原理,分析了電液伺服控制自動調平系統對作業性能的穩定性和可靠性的影響;谷德君[35]對直臂式高空作業車下車調平系統的調平液壓缸進行仿真優化;周賢明[36]對某型高空作業車的調平系統的進行了誤差分析及優化。

                          高空作業類機械的穩定性分析也是研究熱點之一。王富亮[37]針對折疊臂式高空作業車的特點,詳細分析了作業車結構參數對整車穩定性的影響;劉東[38]將高空作業車工作臂簡化為梁,以零力矩點法分析了整車的傾覆穩定性能;張帆[39]運用面向對象的幾何建模方法、組件對象模型技術及運動仿真技術對以 GTBZ 型自行式高空作業平臺進行虛擬仿真;趙洪亮[40]分析了高空作業平臺的整體抗傾覆穩定性,并對其局部穩定性進行了研究,得到了該高空作業平臺各作業臂的局部失穩部位及極限載荷。此外,張珂、耿青武[41-42]等對高空作業平臺進行了力學性能分析;劉東[38]進行了考慮大變形因素的高空作業車穩定性研究;劉文武[43]對高空作業車執行裝置進行了動力學和運動學仿真。張璐[44]運用模糊故障樹分析法研究了液壓系統的可靠性。

                          總體上看,國內對高空作業機械的研究主要集中在確定性的結構分析,對由風載荷引起的不確定性因素研究較少,目前還沒有一套成熟通用的理論。

                        折臂式高空作業車風振疲勞損傷破壞系統研究:

                        風與高空作業車的流固耦合效應
                        風與高空作業車的流固耦合效應

                        流固耦合計算模型(箭頭表示風向)
                        流固耦合計算模型(箭頭表示風向)

                        最大作業高度風振系數
                        最大作業高度風振系數

                        最大作業幅度工況時作業臂迎風面風壓云圖
                        最大作業幅度工況時作業臂迎風面風壓云圖

                        最大作業高度工況時作業車臂左側面風壓云圖
                        最大作業高度工況時作業車臂左側面風壓云圖

                        最大作業高度工況時背風面風壓云圖
                        最大作業高度工況時背風面風壓云圖

                        最大作業幅度工況時背風面風壓云圖
                        最大作業幅度工況時背風面風壓云圖

                        最大作業高度工況時作業臂截面風壓云圖
                        最大作業高度工況時作業臂截面風壓云圖

                        最大作業幅度工況時作業臂截面風壓云圖
                        最大作業幅度工況時作業臂截面風壓云圖

                        目 錄

                          摘 要
                          1 緒 論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 國內外研究現狀
                            1.3 研究內容與研究方法
                            1.4 主要創新點
                          2 高空作業車的風載特性
                            2.1 高空作業車組成結構
                            2.2 風載特性的表征方法
                            2.3 脈動風的概率統計特征
                            2.4 折臂式高空作業車的風載荷特性
                            2.5 本章小結
                          3 高空作業車的動力特性
                            3.1 結構模態分析理論
                            3.2 折臂式高空作業車的動力特性
                            3.3 高空作業車的振型參與系數
                            3.4 本章小結
                          4 高空作業車的風振響應
                            4.1 脈動風速數值模擬
                            4.2 折臂式高空作業車風振響應的時域特性
                            4.3 折臂式高空作業車風振響應的頻域特性
                            4.4 本章小結
                          5 考慮風與結構耦合作用的高空作業車風振響應
                            5.1 風與高空作業車的流固耦合效應
                            5.2 考慮耦合作用時結構動力學方程
                            5.3 風與高空作業車耦合作用時的風振響應
                            5.4 高空作業車的等效風荷載
                            5.5 本章小結
                          6 折臂式高空作業車風振響應的實測研究
                            6.1 測試設備與方案
                            6.2 高空作業車風致振動響應測試
                            6.3 高空作業車實測結果時域分析
                            6.4 高空作業車實測結果頻域分析
                            6.5 本章小結
                          7 高空作業車的風振疲勞損傷及動力可靠性
                            7.1 高空作業車的風振可靠性
                            7.2 疲勞的基本概念
                            7.3 疲勞累積損傷理論
                            7.4 時域內疲勞累積損傷分析
                            7.5 頻域內疲勞累積損傷分析
                            7.6 高空作業車的風振疲勞可靠性
                            7.7 本章小結
                          8 結論與展望
                            8.1 主要結論
                            8.2 研究展望
                          參考文獻
                          作者簡歷
                          學位論文原創性聲明
                          學位論文數據集

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