折臂式高空作业车风振疲劳损伤破坏系统研究

摘要

　　高空作业车是运送人员和器材到达指定作业高度，进行特种作业的专用车辆，广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防等各行业。随着作业高度的增加，作业臂长细比越来越大，对风荷载越发敏感，风荷载也成为控制结构设计的主要荷载。目前，对于该类结构的风荷载模型、风致振动特性以及风振作用下的损伤评估仍然存在着一些亟待解决的问题。本文综合应用理论分析、数值模拟和实验测试等方法，对GKZ型折臂式高空作业车的风振疲劳损伤破坏机理及动力可靠性进行了系统的研究，取得如下成果：

　　(1) 针对 GKZ 型折臂式高空作业车的结构及工况特征，基于湍流风场建立了高空作业车风振响应的风荷载模型，模拟得到了随机脉动风载作用下作业车结构表面的风压分布规律、流场的分布特征、风振系数和风载体型系数的变化特征；给出了适用于高空作业车抗风设计的等效静力风荷载及风荷载体型系数。

　　(2) 分析了折臂式高空作业车的动力特性，研究了随机脉动风载荷作用下折臂式高空作业车的时域与频域风振响应规律。得到了在最大作业高度和最大作业幅度两种极端工况下，高空作业车位移、加速度响应的的变化规律。

　　(3) 建立了考虑风与结构耦合效应的折臂式高空作业车流固耦合模型，并给出了作业车响应的时域和频域解，得到了风与结构耦合作用对高空作业车风振响应特性的影响规律。分析表明：作业车最大作业幅度工况顺风向位移响应比最大作业高度工况时大；且随风速的增大，风与结构耦合效应对作业车的影响更趋明显。

　　(4)设计了风荷载作用下折臂式高空作业车动力响应的现场测试系统，测定了折臂式高空作业车在随机风载荷作用下的时域和频域特性，实测结果与数值模拟结果具有较好的印证性。

　　(5)提出了基于结构强度及变形位移响应首次超越量的动力可靠性判别方法，建立了考虑平均风速和风向随机分布特征的折臂式高空作业车动力可靠性模型，分析揭示了折臂式高空作业车的疲劳累积损伤破坏的机制，并预测了其风振疲劳寿命及可靠性。

　　关键词：折臂式高空作业车；风与结构耦合效应；时频特性；疲劳损伤；动力可靠性

Abstract

　　Aerial platforms are special vehicles used to perform special operations. In recent years, as the operating height increases, the slenderness ratio of working arms becomes larger, and the arms are more sensitive to wind load, which becomes a main load in the design of control structure. Up to now, the research on wind-induced response of aerial machines is still lacked, there still remain many problems to be solved, such as the wind-induced vibration characteristics, and damage evolution under wind vibration.In-site tests, theoretical calculation and numerical simulation are adopted to study the fatigue damage under wind vibration and dynamic reliability of GKZ folding-jib aerial platforms. The following conclusions are obtained.

　　(1) The wind load model of aerial platforms wind-induced response based on turbulent wind field is established on the structure and working conditions of GKZ folding-jib aerial platforms.Simulation demonstrates the surface wind pressure, flow field distribution, wind vibration coefficient and shape coefficient of the aerial platforms under fluctuating wind load,the equivalent static force and shape coefficient of wind load in the wind-resistant design of aerial platforms are calculated.

　　(2) The dynamic characteristics of folding-jib aerial platforms are analyzed, the time domain and frequency domain response characteristic of folding-jib aerial platforms under fluctuating wind load is studied, and the displacement and acceleration response characteristic of aerial platforms under the maximum operating height and the maximum operating amplitude are obtained.

　　(3) The fluid-solid coupling model of aerial platforms, in which the wind and structure are coupled is established,and the solutions of time domain and frequency domain are shown,Simulation demonstrates the effect of wind and structure coupling on wind-induced characteristics. The results show that:the displacement along wind direction respond of platforms are greater than those under the maximum operating height;As the wind speed increases, the wind and structure coupling effact platforms more obviously.

　　(4) A field test system of wind-induced response of aerial platforms under motive power is designed, and in-site tests show the time domain and frequency domain characteristics of folding-jib aerial platforms under random wind loads. The in-site tests verify the numerical simulation well.

　　(5)The discriminant method of dynamic reliability based on structure strength and deformation first transcendence is presented, dynamic reliability model of folding-jib aerial platforms is established and considering the average wind velocity and wind direction random distribution,The accumulative damage mechanism of the folding-jib aerial platforms are analyzed ,and the fatigue life and reliability of wind vibration fatigue are predicted.

　　There are 99 pictures, 29 tables and 181references in this dissertation.

　　Key words:folding-jib aerial platforms; fluid-structure interaction with wind and aerial platform; time domain and frequency domain characteristic; fatigue damage; dynamic reliability

　　高空作业车是运送工作人员和器材到达指定的作业高度，进行特种作业的专用车辆[1]。作为一种工程机械设备，高空作业车广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防等行业，随着城市化进程的加快，高层建筑物、冷却塔、电视塔等日常维护、设施安装与更换、探伤检测、应急救援和消防等工作对高空作业机械有着较大的市场需求。

　　二十一世纪以来，高层建筑和高耸结构日益增多，国际着名高空作业机械生产企业研发生产的新产品具有更高的作业高度，百米以上高空作业机械越来越多。尤其是芬兰博浪涛（Branto)公司的 HLA 系列巨型高空作业车，最大作业高度达到112m，最大作业幅度达 33m 不但满足了整车作业高度要求，而且具有良好的行驶性能和更强的承载能力。

　　随着作业高度的增加，作业臂长细比越来越大，对风荷载变得十分敏感，风荷载往往成为其控制结构设计的主要荷载。自然风在流动过程中由于受到地面各障碍物的影响，其速度呈现出随机脉动特性。一般认为，在自然风作用下，结构的风荷载是由两部分组成[2]：一是平均风作用下的静风荷载，二是脉动风作用下的随机脉动荷载。静风荷载可能使结构产生较大的变形，一般可由静力分析获得；而脉动风载荷会引起结构的振动，持续的风激振动会引起结构的疲劳损伤，对作业平台上的操作人员也会有不舒适感。

　　近年来，全球气候的变化导致风灾发生的频率逐渐提高，时常可见由于风灾造成财产损失和人员伤亡的报道。2011 年 5 月，徐工重型机械集团 140T 车载起重机在试车时，因高空风导致主臂折断，造成三人伤亡；2015 年 9 月，沙特阿拉伯麦加一大型塔吊由于暴风倒塌，造成 107 人遇难，238 人受伤。2002 年 4 月，湖南一总高度约 70m 的钢铁塔，由于大风作用突然倒塌。因此，对于这些大型高空作业类机械的安全防风设计及管理必须给予足够的重视。

　　当前，虽然在高层建筑和高耸结构的风振理论研究方面取得了非常丰硕的成果，但对高空作业类机械的风荷载理论研究工作还远远不够，对高空作业机械的风振响应问题，目前还没有一套成熟通用的理论。尤其是在国内高空作业车的研究领域，在风载荷的计算上缺乏相对准确、在使用上简便易行的设计规范，大部分的产品设计借鉴于现有的《建筑结构荷载规范》和《起重机设计规范》中的有关规定，利用规范给出的风振系数计算公式确定高空作业机械的风荷载，存在很大的经验性和盲目性。

　　随着 21 世纪结构工程复杂化的发展趋势，如何获得合理的等效风载荷，精确高效地进行高空作业机械在风荷载作用下的安全性和可靠性分析，是当前亟待解决、且意义重大的课题，这就需要不断发展现有高空作业机械风振响应的理论和方法，深入研究风致振动引起的结构疲劳和可靠性问题，对于保障高空作业机械使用安全，预测剩余寿命等具有重要的实际意义。

　　多年来，国内外学者对高空作业机械在设计方案、结构分析、电气系统、液压系统、稳定性等方面的研究取得了丰硕的成果。Pan[3]等人运用统计方法分析了多起高空作业车的事故成因，从设计角度提出若干改进的建议。Smith[4]针对使用铝材料的高空作业平台焊缝处的疲劳破坏进行了详细的分析。Giguere 和 Marchand[5]研究了在高空救援过程中，人体跳下时的姿态动作对人体所受冲击载荷的影响，并给出了较为合理的人体下跳姿态。Krasucki[6]等人建立了混合动力驱动的高空作业车控制模型，采用 Matlab/Simulink 对控制系统进行模拟仿真。

　　我国高空作业机械发展起步较晚，从上世纪 80 年代开始，抚顺起重机总厂、武汉起重机厂、徐州重型机械厂等开始着手研制高空作业车和登高平台消防车。经过几十年的努力，在引进国外先进产品的基础上，充分学习、吸收先进技术，对高空作业机械产品的研究取得了丰硕的成果。

　　在设计方案方面，滕儒民[7]对大作业高度的高空作业车进行了基于相似理论的作业臂截面设计、平台轨 迹规划、运动控制方法及其系统平台开发的研究。车仁炜[8]等人分析某型高空作业车摆臂机构的结构特点，从满足运动学及动力学要求出发，提出了选择合理的机构形式、运动副类型和数目及合理的尺寸搭配方法。李长青[9]以登高平台消防车为例，以梁、板、实体单元建立有限元模型，进行结构分析，取得了理想的计算效果；舒兴祖[10]分析了 27 米自行直臂式高空作业车的结构特点，设计了该型高空作业车的状态监测系统和故障诊断系统；朱世强[11]将机、电、液一体化技术应用于高空作业车的调控系统，协调控制高空作业车的各作业臂，使高空作业车的操作更加灵活、方便。动力学特性分析是高空作业车的研究重点之一。滕儒民[7]运用拉格朗日方程建立了直臂式高空作业车的动力学模型，讨论了臂架刚度、载荷、阻尼、变位速度对作业车整体振动的影响；杜羽寅[12]采用“质量-弹簧”系统模拟高空作业车的工作臂结构，利用结构力学方法，研究了工作平台的振动规律；张桓奇[13]采用复数向量和空间旋转坐标张量推导了高空作业车平台工作空间位置方程。殷时蓉[14]等人建立了混合式高空作业车的动力学模型，运用 ADAMS 软件，进行动态运动的仿真，得到了作业平台的运动规律及各关节驱动力矩变化规律；王硕[15]等人以伸缩臂式高空作业车为研究对象，运用 PID 控制方法，对作业平台的轨迹进行跟踪控制，并模拟了作业平台的直线运动和刷墙运动规律。

　　对臂架结构的强度分析也取得了丰硕的成果。文献[16-19]运用有限元法对高空作业伸缩臂进行了应力、变形、模态分析和结构优化，并针对受力薄弱点，提出改进方案；王津[20]对 25m 自行式高空作业车的作业臂进行有限元建模，对其在六种典型工况下的结构进行刚度、强度和稳定性分析；邵海[21]等人比较了各种建模方法对有限元分析结果的影响；王欣[22]等人用线性、非线性有限元法对伸缩式箱形臂架高空作业车进行差异性分析，强调了非线性计算的必要性；李淮[23]等人对折臂式高空作业车进行动力学仿真。

　　随着高空作业类机械的市场竟争日趋激烈，以减轻自重，降低成本为目的高空作业车优化设计也越发引起研究人员的重视。王津[20]、蒋红旗[24]等人以作业臂自重为优化目标，以臂厚为设计变量，运用有限元法对高空作业伸缩臂进行了结构优化，达到了降低自重的目的。王鑫[25]、何清华[26]等人建立了折臂式登高平台消防车变幅机构和调平机械的优化计算模型。杜祥宁[27]利用结构优化算法，开发出直臂式高空作业车方案设计的参数化软件，并在产品的设计中得到运用。

　　为保证高空作业安全、平稳而设计的调平系统是高空作业车的关键技术。近年来，机、电、液一体化的调平系统在高空作业机械应用广泛。宋晓光[28]、陈华波[29]对伸缩臂式高空作业车的电液比例调平系统进行联合仿真，分析了该调平系统的调平能力；董大为[30]、胡元[31]对 Simon-Cella 高空作业车电液自动调平机构的液压部分和电控部分进行分析，总结了该车调平机构的主要特点；分析了高空作业车工作平台常用的五类调平机构的工作原理、结构特点及使用范围，为研究和设计高性能的高空作业车提供了有益的参考；滕辉[32]以 CDZ22 型高空作业车为研究对象，采用高速开关控制锥阀、高速开关控制滑阀、比例伺服阀等三种电液控制方案，实现其作业平台的自动调平；李景刚[33]通过理论分析，综合运用微电子技术和液压控制技术，极大地改善了高空作业平台的调平性能，并用实验加以验证；苏冲[34]等人阐述了 CDZ50 登高平台消防车作业平台自动调平系统的工作原理，分析了电液伺服控制自动调平系统对作业性能的稳定性和可靠性的影响；谷德君[35]对直臂式高空作业车下车调平系统的调平液压缸进行仿真优化；周贤明[36]对某型高空作业车的调平系统的进行了误差分析及优化。

　　高空作业类机械的稳定性分析也是研究热点之一。王富亮[37]针对折叠臂式高空作业车的特点，详细分析了作业车结构参数对整车稳定性的影响；刘东[38]将高空作业车工作臂简化为梁，以零力矩点法分析了整车的倾覆稳定性能；张帆[39]运用面向对象的几何建模方法、组件对象模型技术及运动仿真技术对以 GTBZ 型自行式高空作业平台进行虚拟仿真；赵洪亮[40]分析了高空作业平台的整体抗倾覆稳定性，并对其局部稳定性进行了研究，得到了该高空作业平台各作业臂的局部失稳部位及极限载荷。此外，张珂、耿青武[41-42]等对高空作业平台进行了力学性能分析；刘东[38]进行了考虑大变形因素的高空作业车稳定性研究；刘文武[43]对高空作业车执行装置进行了动力学和运动学仿真。张璐[44]运用模糊故障树分析法研究了液压系统的可靠性。

　　总体上看，国内对高空作业机械的研究主要集中在确定性的结构分析，对由风载荷引起的不确定性因素研究较少，目前还没有一套成熟通用的理论。

折臂式高空作业车风振疲劳损伤破坏系统研究：

风与高空作业车的流固耦合效应

流固耦合计算模型(箭头表示风向)

最大作业高度风振系数

最大作业幅度工况时作业臂迎风面风压云图

最大作业高度工况时作业车臂左侧面风压云图

最大作业高度工况时背风面风压云图

最大作业幅度工况时背风面风压云图

最大作业高度工况时作业臂截面风压云图

最大作业幅度工况时作业臂截面风压云图

目 录

　　摘 要
　　1 绪 论
　　　　1.1 研究背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 研究内容与研究方法
　　　　1.4 主要创新点
　　2 高空作业车的风载特性
　　　　2.1 高空作业车组成结构
　　　　2.2 风载特性的表征方法
　　　　2.3 脉动风的概率统计特征
　　　　2.4 折臂式高空作业车的风载荷特性
　　　　2.5 本章小结
　　3 高空作业车的动力特性
　　　　3.1 结构模态分析理论
　　　　3.2 折臂式高空作业车的动力特性
　　　　3.3 高空作业车的振型参与系数
　　　　3.4 本章小结
　　4 高空作业车的风振响应
　　　　4.1 脉动风速数值模拟
　　　　4.2 折臂式高空作业车风振响应的时域特性
　　　　4.3 折臂式高空作业车风振响应的频域特性
　　　　4.4 本章小结
　　5 考虑风与结构耦合作用的高空作业车风振响应
　　　　5.1 风与高空作业车的流固耦合效应
　　　　5.2 考虑耦合作用时结构动力学方程
　　　　5.3 风与高空作业车耦合作用时的风振响应
　　　　5.4 高空作业车的等效风荷载
　　　　5.5 本章小结
　　6 折臂式高空作业车风振响应的实测研究
　　　　6.1 测试设备与方案
　　　　6.2 高空作业车风致振动响应测试
　　　　6.3 高空作业车实测结果时域分析
　　　　6.4 高空作业车实测结果频域分析
　　　　6.5 本章小结
　　7 高空作业车的风振疲劳损伤及动力可靠性
　　　　7.1 高空作业车的风振可靠性
　　　　7.2 疲劳的基本概念
　　　　7.3 疲劳累积损伤理论
　　　　7.4 时域内疲劳累积损伤分析
　　　　7.5 频域内疲劳累积损伤分析
　　　　7.6 高空作业车的风振疲劳可靠性
　　　　7.7 本章小结
　　8 结论与展望
　　　　8.1 主要结论
　　　　8.2 研究展望
　　参考文献
　　作者简历
　　学位论文原创性声明
　　学位论文数据集

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