起重机械结构健康监测系统的研究与开发

摘要

随着中国经济的高速发展，建筑工业的不断创新，高层和超高层建筑如雨后春笋般拔地而起。起重机械的使用也适应了建设发展的需求，越来越受到管理者和使用者的重视。从总体上来看，中国建筑工业安全生产状况比较稳定，但老旧起重机械每年的重大事故屡见不鲜，给国家和人民造成了不可估量的经济财产损失。造成事故的原因除操作者的违规操作之外，还由于大型起重机械工作任务的复杂性、工作环境的恶劣性，导致其在服役生命周期内，受到了高周疲劳循环、材料老化、腐蚀等因素，这些因素大大缩短了起重机的使用寿命。正如徐灏教授在《疲劳强度》一书中所说，机械的断裂事故中，80％以上是由金属疲劳引起的。 本文参考并总结了国内外结构健康监测控制管理系统，结合以往起重机械监测经验和现场设备实际工况，设计并开发一套基于工业嵌入式的可以应用于正在服役的老旧起重机械设备上的结构健康监测系统，同时，该系统具备实时监测、长期稳定、安全运行的性能和特点。该系统可以写入结构应力预警和疲劳寿命算法程序，为起重机械剩余寿命的计算提供参考依据。本文主要研究内容包括如下几点: (1)研究并开发一套可应用于大型桥式起重机的结构安全监测系统，不需要再现场进行起吊额定重量实验，便可对结构健康累计运行状况进行实时监测，实时分析，实时评估。 (2)利用现场监测桥式起重机参数，建立桥式起重机简化模型，利用弹性力学计算和有限元计算软件进行分析，根据桥式起重机的关键位置选择传感器布置方案。 (3)结合现场桥式起重机的实际特点和有限元分析结果，有针对性的研究传感器选型和安装方案，开发一套适用于起重机械的综合性数据采集卡，采集来自起重机的各种数据信号。 (4)搭建系统硬件构架和网络构架，并应用于现场实际工况中进行测试和采集，启动数据采集和安全报警功能，并根据数据记录结构寿命。

目录

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摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1起重机械安全监测系统

1．2．2结构健康监测系统

1．3研究内容和创新点

2起重机安全控制理论基础

2．1安全监控系统参数检验规则

2．2疲劳许用应力幅计算

2．2．1起重机工作级别的划分

2．2．2规范说明

2．2．3应力幅法进行钢结构疲劳计算

2．3本章小结

3有限元分析

3．1有限元分析技术概述

3．1．1有限元分析的理论基础

3．1．2有限元法分析的基本流程

3．2起重机金属结构强度分析

3．3起重机金属结构疲劳有限元分析

3．3．1疲劳的基本概念

3．3．2疲劳寿命预测的两种理论

3．3．3虚拟疲劳分析过程

3．3．4桥式起重机有限元计算实例

3．4本章小结

4起重机安全监控系统

4．1数据采集信号源

4．1．1信号源的分类

4．1．2信号源采集方案

4．1．3信号采集安装方案

4．2数据综合采集卡

4．2．1采集卡接口设计

4．2．2综合采集卡设计

4．3数据采集网络系统

4．3．1网络系统硬件设计

4．3．2网络系统总线协议选型

4．4数据分析系统

4．5本章小结

5在役起重机安全控制剩余寿命分析方法

5．1起重机金属结构

5．1．1起重机械金属结构的定义

5．1．2起重机械金属结构的分类

5．2桥式起重机的金属结构

5．2．1桥式起重机的组成

5．2．2桥式起重机箱型梁

5．3剩余寿命评估方法的理论知识

5．3．1起重机的整体分级

5．3．2起重机的结构件或零件分级

5．4起重机剩余疲劳寿命计算方法

5．4．1工作状态法

5．4．2应力分析法

5．4．3疲劳寿命评估

5．5本章小结

6工程案例

6．1被测桥式起重机简介

6．1．1使用工况调查

6．1．2载荷谱的获取

6．2数据分析

6．3数据处理

7结论与展望

7．1结论

7．2展望

致谢

参考文献

附录