[发明专利]一种冶金起重机金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种冶金起重机金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法，包括如下步骤：(1)、构建基于Paris公式的状态空间评估模型，(2)、基于客观数据构建扩展卡尔曼滤波模型，得到裂纹扩展剩余寿命预测值f₁；(3)、基于客观数据构建粒子滤波模型，得到裂纹扩展剩余寿命预测值f2；(4)、结合扩展卡尔曼滤波与粒子滤波，求取最终裂纹扩展寿命预测值f。本发明的预测方法考虑到构件本身物理特性及寿命变化特性，也能根据具体健康情况不同对物理模型进行调整，即能达到单一算法中健康预测的优势，亦能减小单一算法造成的误差。

技术领域

本发明涉及一种寿命预测方法，尤其涉及一种冶金起重机金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

背景技术

冶金起重机在服役期间处于高温高粉尘的环境中作业，经常满负荷运行，疲劳失效是冶金起重机金属结构的主要失效模式。起重机金属结构所采用的连接方法有焊接连接、铆钉连接、普通螺栓连接和高强度螺栓连接等。在冶金桥式起重机中，其主梁箱型结构是由盖板、腹板和横隔板等焊接而成的。结构焊接部位一般存在天然的缺陷，所以结构的危险区域容易出现在焊缝位置。桥式起重机中主要的开裂部位：1)主梁跨中腹板、下盖板与横隔板连接区域，焊缝开裂后沿焊缝纵向延伸或向腹板母材延伸；2)在主梁两端下方与端梁联结处，主梁与端梁配合转角区的翼缘焊缝开裂，延伸至腹板；3)小车轨道侧上翼缘外侧或内侧角焊缝开裂，向纵向延伸或向腹板母材扩展。

目前在起重机设计规范中关于桥架局部焊接位置的疲劳评定多采用名义应力法。名义应力法的特点是计算简单易于工程使用，但是对一些结合构造复杂的焊接细节，用名义应力法相对困难且计算精度低。随着有限元理论及商用软件的发展与普及，热点应力法作为名义应力法的补充应运而生。20世纪70年代首先应用于海洋输油管道的焊接构造细节的疲劳评定中，目前该方法已经广泛应用于承受疲劳载荷的船舶工业、机械制造业、钻井平台和桥梁工程等结构的疲劳寿命的评定中，且被欧洲钢结构规范、美国焊接协会和国际焊接协会等疲劳设计规范所采用。

结构的剩余寿命预测通过对结构历史健康状态数据(如疲劳试验数据)的挖掘和分析，建立有效的评估模型(如物理模型、数据模型)，并结合获得的实时状态数据，预测出未来一段服役时间内的疲劳裂纹扩展趋势。多伦多大学的Jardine教授等对机械设备的健康监测和失效预测技术进行了研究成果综述，并全面梳理了从设备健康状态数据获取、健康状态数据分析到基于CBM的维护决策。Peng等探讨了机械设备剩余寿命预测在基于CBM维修决策中的重要性，并进一步的分析了现有的设备健康预测方法的优势与不足。以上研究成果在不同阶段，从不同角度为结构剩余寿命预测方法的研究提供了宝贵的借鉴和指导。综合分析当前的研究成果，结构健康预测方法主要分为四类:基于数据驱动的预测方法、基于经验知识的预测方法、基于物理模型的预测方法以及基于物理模型和数据驱动相结合的预测方法(融合模型)。基于数据驱动的预测方法完全依靠数据进行健康预测，忽略了构件本身的物理性质及寿命变化特性，精度较低；基于经验知识的预测方法凭借专家经验进行健康预测，主观性较强，不同的人可能存在不同的看法，缺乏精确的定性定量分析；基于物理模型的预测方法考虑了构件本身的物理特性，但忽略了环境、制造误差、工况因素对健康预测的影响，无法随着健康情况的不同对物理模型进行调整。

因此，亟需解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种冶金起重机金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种冶金起重机金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法，包括如下步骤：

(1)、构建基于Paris公式的状态空间评估模型，

(2)、基于客观数据构建扩展卡尔曼滤波模型，得到裂纹扩展剩余寿命预测值f₁；

(3)、基于客观数据构建粒子滤波模型，得到裂纹扩展剩余寿命预测值f2；

(4)、结合扩展卡尔曼滤波与粒子滤波，求取最终裂纹扩展寿命预测值f。