大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析

1、大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析 振動(dòng)、測試與診斷. .第 卷第 期 . 年 月 , 大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析蔣建國 李 勤水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 杭州,摘要 以葛洲壩 船閘為例,介紹了大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析。經(jīng)比擬分析工作模態(tài)測量 簡稱 技術(shù)特點(diǎn),選擇隨機(jī)子空間 識(shí)別方法,由人字門實(shí)際的載荷、邊界約束及有限元模態(tài)分析成果確定合理的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)結(jié)果說明:扭翹變形是人字門運(yùn)行的根本振型,泥沙淤積等特殊載荷導(dǎo)致人字門在啟閉過程中產(chǎn)生非正常的扭翹變形并使局部背拉桿為零桿,由此引起的剪切應(yīng)變是引發(fā)疲勞裂紋的主要原因。關(guān)鍵詞 船閘 人字閘門 模態(tài)分析 工作模態(tài) 扭翹變形中圖分類號(hào)

2、引 言 工作模態(tài)測量方法人字閘門利用三鉸拱承受水壓力荷載,結(jié)構(gòu)清. 模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法的選擇晰,在大型船閘中普遍應(yīng)用。然而大型船閘人字門在近年研究提出的僅從輸出數(shù)據(jù)中提取模態(tài)參數(shù)運(yùn)行一定時(shí)間后往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部裂紋、振動(dòng)和異常的模態(tài)參數(shù)估計(jì)技術(shù),包括自回歸滑動(dòng)平均模型、自聲響等令人棘手的復(fù)雜故障現(xiàn)象。飛來峽船閘人然鼓勵(lì)技術(shù)、隨機(jī)子空間方法等。雖然工作模態(tài)分析字門在運(yùn)行中發(fā)生有規(guī)律的異常聲響并伴隨明顯振特別定位在輸入不能夠測量的情況下應(yīng)用,理想的動(dòng)。葛洲壩水利樞紐 和 船閘在運(yùn)行 年后情況仍希望是輸入具有一個(gè)平頂譜。就反復(fù)屢次出現(xiàn)裂紋,裂紋大都是從主橫梁翼緣與豎自然鼓勵(lì)技術(shù) 的根底理論是響應(yīng)之間向隔

3、板相交的焊接部位開始呈 。角延伸】 。據(jù)考的互相關(guān)函數(shù)可表示為一組衰減正弦函數(shù)的和值,察,美國船閘人字門結(jié)構(gòu)亦存在疲勞開裂現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)估計(jì)技術(shù),如多參考點(diǎn)最小二研究普遍認(rèn)為,人字閘門扭轉(zhuǎn)翹曲變形 振動(dòng)乘復(fù)指數(shù) 方法能夠用于只有輸出的系統(tǒng)識(shí)并承受疲勞交變載荷是不可無視的故障原因 。由別 。多參考點(diǎn).代替頻率響應(yīng)函數(shù) 或此,研究獲取大型船閘人字閘門在實(shí)際約束和工作脈沖響應(yīng)函數(shù)對(duì)自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行求狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)力響應(yīng),就成了相關(guān)故障解,就是典型的 技術(shù)。在計(jì)算互功率譜函數(shù)診斷不可缺少的技術(shù)手段。時(shí),可選擇響應(yīng)函數(shù)的一個(gè)子集作為參考點(diǎn),但作為大型船閘人字閘門的體積和重量都

4、很龐大,其參考的輸出必須選擇那些包括所有相關(guān)模態(tài)信息的實(shí)際的工作載荷和邊界約束非常復(fù)雜。傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)］敵?。多參考點(diǎn).不會(huì)直接產(chǎn)生模態(tài)振型,必須態(tài)分析方法很難實(shí)施鼓勵(lì),所獲取的數(shù)據(jù)不能很好通過功率譜數(shù)學(xué)擬合步驟并采用已經(jīng)識(shí)別的模態(tài)頻地反映人字閘門在實(shí)際狀態(tài)下的工作性態(tài),所以鮮率和模態(tài)阻尼來提取模態(tài)振型。有大型船閘人字閘門模態(tài)分析原型試驗(yàn)的案例?！白涌諉栃g(shù)語主要源于控制理論,它是將識(shí)別近年興起的工作模態(tài)測量 步驟中使用的奇異值分解方法聚集的統(tǒng)稱。應(yīng)用子 ,簡稱技術(shù),也稱為環(huán)境模態(tài)測量技空間方法 ,首先獲得一個(gè)縮減的系統(tǒng)狀態(tài),然后術(shù)或自然鼓勵(lì)輸入模態(tài)測量技術(shù),是直接從工作狀再識(shí)別狀態(tài)空間模型并從中得到

5、模態(tài)參數(shù)。關(guān)于隨態(tài)下采集到的數(shù)據(jù)中提取模態(tài)頻率、阻尼和模態(tài)振機(jī)實(shí)現(xiàn)問題,那么有平衡實(shí)現(xiàn) 和典型變量分析型的模態(tài)參數(shù)估計(jì)技術(shù) 。筆者探索進(jìn)行葛洲壩樞兩種算法,且兩種算法都可以直接識(shí)別頻紐 船閘下閘首人字門工作模態(tài)分析原型試驗(yàn),并率、阻尼和模態(tài)振型。 方法可選擇響應(yīng)函數(shù)的一診斷分析了相關(guān)的裂紋成因。收稿日期: ? ;修改稿收到日期: ? 。第 期 蔣建國等:大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析個(gè)子集作為參考點(diǎn),比擬適宜識(shí)別在工作狀態(tài)下的 第,階模態(tài)振型 為 中觀測到的系統(tǒng)特征向量 ,由下式給出主要模態(tài)。方法那么必須選擇所有的響應(yīng)函數(shù)作一為參考,要求更大的計(jì)算量,但此算法將對(duì)所有模態(tài)給出“同等重要性,并

6、能識(shí)別在工作狀態(tài)下沒有很 為得到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的模態(tài)振型,需要討論利用好鼓勵(lì)的模態(tài)。估計(jì)矩陣 和 的問題,即隨機(jī)實(shí)現(xiàn)問題。對(duì)于大型船閘人字閘門工作模態(tài)分析的原型試驗(yàn)條戶 ,矩陣為件,通常不能保證響應(yīng)函數(shù)的參考子集完全包括所一 有相關(guān)模態(tài)信息,所以相對(duì) 而言,子空間方法那么由平衡實(shí)現(xiàn)算法可得到更為適宜。事實(shí)上,如果不考慮偶然事故造成的失 一效,故障往往是失效因子反復(fù)作用的結(jié)果,所以研究為下面方程的解人字閘門在工作狀態(tài)下的主要模態(tài)對(duì)于故障成因分;一 ? 一析是更有實(shí)際意義的。其中: 一是通過刪除 的最后一行塊得到的; ;一在本試驗(yàn)中,選擇了基于平衡實(shí)現(xiàn)算法的隨機(jī)為 向上移動(dòng)一行塊的矩陣。子空間識(shí)別方法

7、,下面簡單介紹其根本原理。. 隨機(jī)子空間識(shí)別 方法 試驗(yàn)方案考慮隨機(jī)離散時(shí)間狀態(tài)空間模型. 荷載與邊界約束一 葛洲壩 船閘下閘首左側(cè)人字閘門頂樞、啟閉一推拉桿以及頂樞 拉桿之間的平面關(guān)系如圖 所其中: 為系統(tǒng)矩陣; 為輸出矩陣; 表示維數(shù)為示。底樞設(shè)置球形“蘑菇頭與門軸柱配合,人字門可的狀態(tài)向量; 表示維數(shù)為 的輸出向量; 和繞門軸柱軸心線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。為零均值、白噪音序列,分別代表過程噪音和測量噪人字門在啟閉運(yùn)行和關(guān)閉擋水時(shí)的工作方式和音。受力狀態(tài)是完全不同的 。在關(guān)閉擋水時(shí),外側(cè)斜接基于這個(gè)模型, 階的觀測矩陣和 階的控制柱與右側(cè)人字門搭接形成“三鉸拱承受水壓力荷矩陣定義為載。人字門在關(guān)閉時(shí)上

8、游面最高擋水為 ,此時(shí)結(jié)構(gòu)主要承受靜態(tài)水壓力。人字門在啟閉運(yùn)行狀態(tài); 一 , ,?, ? .的受力分析簡圖如圖 所示,其受力根本數(shù)據(jù)如下:人字門重 為,分布水壓力水位差 為 .一,分布風(fēng)阻力 為,門厚 為 . , 寬 其中: , 表示期望值運(yùn)算。為,門高 為 . ,在啟閉時(shí)的淹沒水深假定矩陣 和 的秩為 為系統(tǒng)的模。最大值為,且隨季節(jié)變化,堆積在人字門梁態(tài)數(shù)。格內(nèi)泥沙總重 為 檢修時(shí)去除泥沙 。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性完全由特征值和矩陣 中可觀 測的特征向量來描述。 的特征值分解為一 式 中的復(fù)數(shù)特征向量和特征值以復(fù)數(shù)共軛對(duì)的形式出現(xiàn)。使用下式可以將對(duì)角陣 中的離散特征值 變換為連續(xù)的特征值或系統(tǒng)極點(diǎn)一

9、 “ 一一其中: 為, 階模態(tài)的阻尼因子; 為,一階模態(tài)的阻圖 船閘人字門頂樞平面圖尼固有頻率。第, 階模態(tài)的阻尼比人字門在水、空氣和泥沙等多種介質(zhì)下耦合振一 一 動(dòng)。在啟閉運(yùn)行時(shí),人字門所受的風(fēng)阻力載荷以及堆 : ; 積在梁格內(nèi)的泥沙對(duì)于人字門振動(dòng)的慣性耦合不可第 期 蔣建國等:大型船閘人字閘門工作模態(tài)試驗(yàn)分析表 人宇門工作模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果浪高為 . 情況下,人字閘門的啟閉力達(dá) ,工況 階次 頻率/ 阻尼比/% 振 型背拉桿上副桿及下副桿均在啟閉運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)“零拉應(yīng)力的現(xiàn)象。如果閘室超灌超泄,那么人字門的扭轉(zhuǎn)翹曲變形將更加劇。. 人宇門裂紋成因分析人字門在懸掛時(shí),門扇自重將使閘門較大地豎向位移

10、和扭翹變形。在啟閉時(shí),壅水壓力將增加閘門的扭翹變形 引。堆積在梁格內(nèi)的泥沙附加重量達(dá)門扇自重的 %,因此使人字門產(chǎn)生的豎向位移和扭翹變形是不可忽略的。而啟閉運(yùn)行時(shí),泥沙阻力、風(fēng)阻力與壅水壓力共同作用,使閘門的扭翹變形進(jìn)一步增加。研究. 說明,大型開敞式人字閘門如果不設(shè)背拉桿,其抗扭剛度就很小,由人字門自重引起的翹曲變形就能使局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形而損壞。葛洲 階振型 振型階振型壩 船閘人字門背拉桿尤其是下副桿出現(xiàn)“零拉應(yīng)力甚至受壓的現(xiàn)象,說明人字門結(jié)構(gòu)在特定工況下圖 啟閉運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)測工作模態(tài)存在著非正常的扭翹變形。針對(duì)葛洲壩 船閘人字門局部背拉桿為零桿的情況,筆者進(jìn)行有限元模擬計(jì)算分析說明:由

11、此引起的扭翹剪切變形足以使人字門局部的當(dāng)量應(yīng)力接近甚至超過材料許用應(yīng)力。當(dāng)這種扭翹剪切變形反復(fù)發(fā)生時(shí),人字門局部結(jié)構(gòu)將發(fā)生塑性疲勞。顯然,這與葛洲壩 船閘人字閘門的裂紋特征是相符合的,也證實(shí)了文獻(xiàn) ? 關(guān)于葛洲壩 船閘人字閘門裂紋屬高應(yīng)變、低周疲勞開裂的推論。階振型 階振型 階振型圖 擋水狀態(tài)的實(shí)測工作模態(tài) 結(jié)束語人字門工作模態(tài)試驗(yàn)分析與干模態(tài)有限元分析針對(duì)大型船閘人字閘門的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的結(jié)果存在著一定的差異,這是因?yàn)槿俗珠T實(shí)際的邊界約束及復(fù)雜載荷特性,本文應(yīng)用工作模態(tài)試驗(yàn)邊界條件和工作性態(tài)是很難用純理論方法模擬的,分析方法,成功解決了人字閘門在實(shí)際工作狀態(tài)下如人字門在水、空氣及泥沙介質(zhì)下的耦合振動(dòng),背拉的模態(tài)參數(shù)識(shí)別,并應(yīng)用于葛洲壩 船閘下閘首人桿約束隨變形而非線性變化。字門工作模態(tài)原型試驗(yàn)分析及裂紋成因研究。研究證明:葛洲壩 船閘常年淤積在人字門梁格及門庫. 人字門變形分析中的泥沙荷載是不可忽略的;人字門在啟閉過程中根據(jù)振型疊加原理,結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移為各個(gè)振型出現(xiàn)局部背拉桿為零桿的現(xiàn)象,并存在非正常的扭奉獻(xiàn)的疊加。對(duì)于大多數(shù)類型的荷載,一般是頻率最轉(zhuǎn)翹曲剪切變形;人字門結(jié)構(gòu)在此動(dòng)載反復(fù)作用下低的振型所起的作用最大,高振型的趨向減小 。引起了低周疲勞裂紋。經(jīng)對(duì)人字門啟閉運(yùn)行的背拉