基于近场动力学的大型起重机械结构损伤机理及其识别方法研究

Focusing on the damage detection of the large-scale gantry and pedestal cranes, the multi-scale damage mechanism and its propagation law influenced simultaneously by the multiple environmental factors, such as stress corrosion and welding technology, and the multiple damage types, such as fatigue cracks and pitting, are systematically researched, which is based on peridynamic theory with the help from multiscale modeling, finite element method and molecular dynamics simulations. Furthermore, the mechanism, propagation characteristic and the evolution law of the damage signals measurable under work circumstances, such as acoustic emission and vibration etc, are also studied. The adaptive denoise method under the strong noise environment by using adaptive filter, blind source separation and blind deconvolution is given, which is integrated with a priori knowledge of properties of damage signal and ambient noise. Moreover, in consideration of the mounting position of the sensors and the long-time data from damage monitoring, and with the help of multi-scale time-frequency and time-spatial signal processing method, such as variational mode decomposition and multiscale geometric analysis etc, the high-dimensional signal processing and feature extraction method across spatial and temporal scales is proposed to analyze the spatial distribution shape and its variation of the feature parameters extracted from the damage signals. In addition, the damage detection, location and quantitative evaluation methods based on the fusion of multi-source information including acoustic emission, vibration and strain signals are put forward to improve the sensitivity and reliability of the damage detection.

以造船、港口等行业常用的门式/门座式起重机为对象，结合多尺度建模以及有限元、分子动力学模拟等方法，应用近场动力学理论对大型起重机械在工程环境多种损伤因素（应力腐蚀、焊接工艺等）、多种损伤类型（疲劳裂纹、腐蚀等）共存条件下的多尺度损伤机理及其扩展规律、以及损伤演化过程中反映损伤状态的工程可测信号，如声发射、振动等的机理、传播特性和演化规律进行跨尺度建模与分析；通过自适应滤波、盲源分离/盲反卷积等技术，提出强噪声背景下、融合损伤与噪声信号特征等先验知识的工程可测信号自适应降噪方法；借助变模式分解、多尺度几何分析等时频、时空多尺度信号处理方法，结合损伤检测传感器安装位置以及长期监测数据，提出面向信号特征的空间分布形态及其时间演变历程的跨时空尺度高维信号分析和特征提取方法，实现集声发射、振动、应变等参数于一体、基于多源信息融合的跨时空尺度结构损伤定位、识别与定量评估，提高损伤检测的灵敏度和可靠性。

采用近场动力学理论，分别从改进的近场动力学微极模型、近场动力学疲劳损伤模型、近场动力学与有限元方法耦合模型、以及起重机主梁损伤声发射信号演化规律、基于模型阵列的起重机主梁损伤识别、结构安全评估等研究出发，开展了起重机主梁在工作载荷下的损伤机理，以及疲劳损伤演化等研究，并根据损伤过程中的应变、声发射、振动加速度、倾角、姿态等工程可测信号，实现了起重机主梁损伤识别和安全评估。.主要成果如下：.(1).提出了一种改进的近场动力学微极模型，通过在近场动力学微极模型中构建弹塑性本构关系，来模拟不同泊松比金属材料的弹塑性变形和损伤过程，克服了近场动力学模型在研究金属弹塑性变形存在的困难。.(2).建立了一种基于普通态基近场动力学的二维疲劳裂纹扩展模型，并通过平均键应变值最大的两个物质点连线的中点确定裂纹尖端位置和设置循环断键数提高主梁疲劳裂纹扩展的计算效率。.(3).针对近场动力学方法在处理大型起重机械结构时存在计算量过大的限制，建立了近场动力学与有限元混合的多尺度模型，在保证精度的前提下提高了计算效率.(4).结合近场动力学在损伤建模的优势及应变信号的提取方法，提出了一种基于起重机主梁近场动力学模型的应变模态损伤识别方法，实现了损伤位置及损伤程度的有效识别。.(5).通过起重机主梁的三点弯曲损伤过程声发射监测试验，获得了材料损伤状态与其AE信号之间的映射关系，并分析尺寸效应对试件AE信号参数的影响，从而评价试件损伤过程中的应力状态。.(6).提出了起重机主梁振动响应信号的RBF-BL模型，根据模型衍生特征参数实现损伤区域初步定位，并进一步根据分析得到的损伤区域模型空间谱，实现损伤源与传感器阵列之间的距离与损伤程度的识别。.(7).提出了一种改进的TOPSIS起重机结构安全评估方法，建立了融合结构应变、结构倾角、结构空间姿态等现场监控数据的起重机结构安全评估指标及其权重优化方法，提高了起重机结构安全评估的准确性和可靠性。