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原文传递基于敏感度模型的港机结构裂纹扩展与疲劳寿命预测方法研究

论文题名：	基于敏感度模型的港机结构裂纹扩展与疲劳寿命预测方法研究
关键词：	港口起重机;灵敏度模型;裂纹扩展;疲劳寿命;多因素分析
摘要：	港口起重机作为特种设备之一，是港口、河道等运输场合不可或缺的关键元素，在新时代实现民族伟大复兴的征程中发挥着举足轻重的作用。随着大型化发展方向的深入，起重机的运行安全愈发受到重视。近年来，国内外众多学者研究了不同参数对港机裂纹结构疲劳寿命的影响，但是大部分研究没能够从根本上对其进行参数影响程度的量化评估研究。因此，科学准确地分析不同参数对港口起重机结构裂纹扩展与疲劳寿命的影响程度是目前维护阶段急需解决的关键难题，具有重大的理论研究意义和实际应用价值。　　鉴于此，本文提出适用于不同变量范围和数量的灵敏度分析模型。其次通过对港口起重机结构进行动静力学分析，并利用修正后的灵敏度模型分析出对其结构强度影响最大的工况参数，进而确定出港机的危险截面位置和危险作业参数范围。在此基础上，根据港机结构应力强度因子的求解结果，利用灵敏度模型分析结构裂纹参数对港机疲劳寿命的影响程度。然后根据确定出的危险裂纹参数，分析港口起重机结构的裂纹扩展和疲劳寿命。最后，利用开发的港机量化评估系统，从多维度角度出发，建立港机主梁结构应力应变和振动加速度信号的监测采集方案，并进行试验测试与结果对比分析。具体研究内容如下: 　　(1)基于智能优化算法的敏感度修正模型的建立。通过Kriging优化算法与多项式响应面PRS相结合，提出一种基于PRS-Kriging修正的灵敏度模型。在此基础上针对不确定性变量问题，通过变分贝叶斯VB智能算法求解多项式混沌展开PCE系数，并利用本征正交分解POD降阶算法进行模型的优化处理，提出一种基于VB-PCE和降阶算法的灵敏度模型，并通过算例分析验证所提灵敏度分析模型的可行性与准确性。　　(2)基于修正灵敏度模型的港机结构强度分析。在确定结构影响参数后进行耦合参数的试验设计，然后通过结构多体动力学分析提取出不同试验组中港机主梁结构所受吊重小车的载荷，其次将提取到的载荷值进行结构静力学分析。在此基础上通过所提出的PRS-Kriging修正的灵敏度模型进行不同试验组的敏感度值求解，实现不同状态参数对港机结构强度影响程度的定量灵敏度分析，其预测平均精度可达95.31％。研究结果表明，小车位置的灵敏度值为0.5318,其对港机结构强度影响程度最大;小车起升速度的灵敏度值仅为0.0494,其对港机结构强度影响程度较小。　　(3)基于敏感度模型的港机裂纹扩展与疲劳寿命分析。首先确定港机结构的裂纹位置和裂纹特征参数，实现多个不确定变量对结构应力强度因子影响程度的定量分析,其预测平均精度可达93.34％。在此基础上分析港口起重机结构在不同位置处的裂纹扩展程度，并通过有限元软件求解港机整机结构和带裂纹结构的疲劳寿命，据此确定出港机结构裂纹扩展对其结构寿命的影响。研究结果表明，主梁前拉杆位置处的裂纹对结构应力强度因子的影响较大，最大的影响参数为裂纹角度，其灵敏度值为0.543;最小的影响参数为裂纹截面半径，其灵敏度值为0.084,裂纹角度对其结构裂纹扩展速率影响最大，裂纹截面半径对其结构裂纹扩展速率影响最小。　　(4)监测系统设计及其试验应用。从评估指标多元化的角度出发，建立港机主梁结构应力应变和振动加速度信号的采集步骤。通过调整港机作业运行参数结合主梁结构应力应变验证结构强度的分析结果，其平均求解精度可到93.53％。通过预设港机结构裂纹参数结合主梁结构振动加速度信号验证结构疲劳裂纹扩展的分析结果。在此基础上设计调试试验的硬件设备，进行试验测试与对比分析，验证本文所提研究方法的准确性与可行性。
作者：	邱建春
专业：	机械工程
导师：	朱林;汤正协
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023