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(河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100)

鋼閘門吊耳板應(yīng)力測試方法研究

李欣，郭建斌

(河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100)

吊耳板的應(yīng)力檢測，是閘門啟閉力測量的常用方法，實際測量中會出現(xiàn)測量不準確的現(xiàn)象。對測量構(gòu)件進行ANSYS有限元方法和相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點檢測數(shù)據(jù)分析，可以知道結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)過分析表明，應(yīng)力集中是測量結(jié)果偏差的重要原因。應(yīng)用格拉布斯準則對應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)進行處理，可以有效消除應(yīng)力測點存在的測試數(shù)據(jù)波動大、參照測點間規(guī)律特征不明顯等異常偏差現(xiàn)象，較好滿足測試準確性的工程需要。

鋼閘門吊耳； ANSYS有限元分析；應(yīng)力集中；格拉布斯準則

0 引言

鋼閘門吊耳板是閘門啟閉的主要受力部位。工程中，通過吊耳板的應(yīng)力檢測，是獲取閘門啟閉力狀況的有效測量技術(shù)。通常采用重復測點檢測、相互校驗來保障檢測成果的準確性[1-2]，但是受限于應(yīng)變計測量原理和構(gòu)件受力的復雜性[2]，這種措施效果并不好，部分應(yīng)力測量成果不僅重復性不好，而且參照測點間規(guī)律特征也不明顯。因此，片面增加重復測點數(shù)量，不能支撐啟閉力檢測成果的足夠公信力。在不增加測點數(shù)量的前提下，對已經(jīng)獲取的測點數(shù)據(jù)分析處理，剔除異常數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)統(tǒng)計中已經(jīng)有了很廣泛的應(yīng)用[3]，包括奈爾準則、格拉布斯準則和狄克遜準則等方法，在實際的剔除過程中，需要根據(jù)不同的樣本數(shù)據(jù)和精度要求選擇合適的剔除異常值的方法[4-5]。 長期以來，很多學者研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象對應(yīng)力檢測影響嚴重[6-7]。近年來，應(yīng)用ANSYS系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)細節(jié)分析提供了很好的支撐[8-9]，這種基于計算力學手段的仿真分析方法，較好再現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中區(qū)域[10-11]，從而為結(jié)構(gòu)應(yīng)力的科學檢測提供了甄選技術(shù)手段。通過ANSYS有限元方法獲取閘門吊耳的受載應(yīng)力情況，甄選出對結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測存在重大影響的應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點檢測數(shù)據(jù)分析，提出應(yīng)力測點的逐點剔除方法，有效消除應(yīng)力測點存在的異常偏差現(xiàn)象，較好地保障檢測成果的準確性。

1 異常數(shù)據(jù)剔除方法

在鋼閘門吊板應(yīng)力測試過程中，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，在數(shù)據(jù)采集測量過程中會出現(xiàn)概率非常小卻干擾性特別強的采集數(shù)據(jù)，這些干擾性很強的采集數(shù)據(jù)，對測量的應(yīng)力結(jié)果分析有很大的影響，在數(shù)據(jù)分析的范疇內(nèi)稱之為測量的異常值，需要用科學的理論方法將測量的異常值剔除出去。

異常值剔除準則的多種方法，奈爾準則是在標準差已知的情況下應(yīng)用很廣，對于標準差未知的情況，通常采用格拉布斯和狄克遜準則，通常而言，格拉布斯的精確度更高一些。鋼閘門吊板的應(yīng)力測試中，測量得到的數(shù)據(jù)時標準差未知的一組數(shù)據(jù)，為了能夠有更高的精度，宜采用格拉布斯準則進行異常值剔除。

以下是格拉布斯準則基本理論與算法。

對測量結(jié)果值按大小排成順序統(tǒng)計量為:

x(i),x(1)≤x(2)≤…≤x(n)

(1)

格拉布斯構(gòu)造最大值和最小值統(tǒng)計量分別為：

(2)

(3)

格拉布斯準則的臨界值如表1所示。

表1 格拉布斯準則的臨界值

其計算步驟如下：

a.對于測量數(shù)列，計算g和g′。

b.根據(jù)顯著性水平α，由表3查到臨界值G(n，α)，與G′(n，α),當g>G(n，α)(或g′>G′(n，α)),剔除相應(yīng)的x值。

c.如果有異常值，重新對數(shù)列進行計算，直到計算沒有異常值。

由于在計算過程中，如果每次進行手工計算，計算過程很大。因此,采用Matlab對格拉布斯準則進行編程，在數(shù)據(jù)剔除過程中簡單方便，迅速剔除測量的異常值。

2 鋼閘門吊板受力測量及受力分析

2.1 鋼閘門吊板受力測量

由于閘門在啟閉過程中的啟閉力是不斷變化的，在啟閉力檢測應(yīng)對啟閉全過程的啟閉力進行采集，以決定閘門的實測最大啟閉力?？紤]現(xiàn)場條件，測點布置在啟閉機定滑輪吊板處，檢測數(shù)據(jù)為吊板應(yīng)變，因而為了能夠準確測量啟閉過程中的啟閉力變化，測量數(shù)據(jù)的準確性就需要有很強的保障。啟閉力的檢測原理圖如圖1所示。

圖1 啟閉力檢測

電阻應(yīng)變計布置在吊板上，實測數(shù)據(jù)為吊板的拉伸應(yīng)變值，測點的布置，由于吊板面較大，有肋面上有4個測點，均勻分布在吊板上，沒有肋面上布置2個測點，4個面總共布置12個測點，對吊板受力進行測量，其布置示意圖如圖2所示。

應(yīng)變計測量的數(shù)據(jù)是應(yīng)變，在計算啟閉力時，需要將應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，由于應(yīng)變值相對應(yīng)力值要小很多，很小的應(yīng)變值波動會導致應(yīng)力值巨大的波動。測量值誤差在實際測量工程中是不可避免的，為了能夠得到更為準確的測量值，需要對實際測量過程中的異常值進行剔除處理。對于吊板應(yīng)變測量來說，測量異常值產(chǎn)生的原因，數(shù)據(jù)具體剔除的方法是整個數(shù)據(jù)處理中的重點。

圖2 應(yīng)變計布置位置

2.2 鋼閘門吊板的受力分析

對于受載構(gòu)件來說，應(yīng)力的分布狀況在現(xiàn)在的工程應(yīng)用中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，構(gòu)件的應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在受力構(gòu)件中，在吊耳板應(yīng)力測量過程中，如果應(yīng)變計所貼位置正好位于應(yīng)力集中部位，其測量的結(jié)果就具有很強的干擾性，需要將這些數(shù)據(jù)予以剔除。通過對受力構(gòu)件的有限元分析和數(shù)據(jù)剔除理論的應(yīng)用來優(yōu)化吊耳板的測力情況。

2.2.1 有限元模型

通過SolidWorks對定滑輪處吊板進行三維建模，導入到ANSYS有限元軟件進行網(wǎng)格劃分、加載、計算及分析，為提高計算可靠度，先進行一般的網(wǎng)格劃分，并對關(guān)注點進行局部加密[12]，其中，網(wǎng)格節(jié)點162 374，單元88 561個,如圖3所示。在有限元分析過程中，選擇吊板材料為45號優(yōu)質(zhì)碳鋼，其密度為7 850kg/m3，彈性模量為206 GP。

圖3 框架計算網(wǎng)格

有限元計算過程，按照圖1中的受力情況對吊板添加約束，在吊板中，左側(cè)和混凝土連接部分為約束部位。閘門啟閉過程中，受力是定滑輪處產(chǎn)生拉力，在模型中，受力是均勻加載在圓柱面處，受力載荷是啟閉機受拉載荷，大小330kN，為驗證吊板在受載情況下的應(yīng)變值分布。

2.2.2 有限元結(jié)果分析

應(yīng)變圖如圖4所示，吊板在受載荷條件下，應(yīng)變的分布規(guī)律有一定的規(guī)律性。首先，在整個吊板的應(yīng)變分布中都是在一個很小的范圍之內(nèi)，無論是在有肋面還是無筋面，應(yīng)變的范圍分布是一致的。因此，可以對在這些面上的測點數(shù)據(jù)進行整體分析；其次，無論是在有肋還是無肋面，都出現(xiàn)的不同程度上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同的表面情況，應(yīng)力集中的部位也不盡相同，通過比較測點的布置大致位置，并沒有完全躲開應(yīng)力集中區(qū)域(或者說離應(yīng)力集中區(qū)域很近)。因此,在這些靠近應(yīng)力集中部位的測量值，就會出現(xiàn)我們所預想的那些異常值，需要用剔除方法將異常值剔除；最后，應(yīng)力分析的結(jié)果顯示，應(yīng)力集中現(xiàn)象在工程中的影響很大，在工程構(gòu)件的設(shè)計過程中需要充分考慮到應(yīng)力集中的影響，以減輕其對受力構(gòu)架本身以及整個工程的影響。

圖4 應(yīng)變圖

通過吊板的應(yīng)力分析，應(yīng)力集中現(xiàn)象是會應(yīng)變計的測量產(chǎn)生影響，遇到影響特別大的測量值，應(yīng)當采用合理的方法將異常值剔除。

3 異常值處理驗證

對吊耳板測力過程，取6#閘門吊耳板3組數(shù)據(jù)進行異常值處理。其值如表2所示。

根據(jù)格拉布斯準則，取顯著性水平α為0.05，按照剔除步驟，對每組數(shù)據(jù)進行剔除處理，對水位為60.02 m的數(shù)據(jù)進行處理時，剔除了第6、第9和第10個數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是對測量結(jié)果有明顯影響的數(shù)據(jù)。同樣地對60.05 m的數(shù)據(jù)進行剔除，剔除了第1和第10個數(shù)據(jù)；對于60.08 m的數(shù)據(jù)剔除了第11和第12個數(shù)據(jù)。剔除前后整體數(shù)據(jù)的各統(tǒng)計指標值如表3所示。

表2 6#閘門測量應(yīng)變值

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標比較

由表3中可以看出，剔除后比剔除前數(shù)據(jù)更合理。剔除后的均值波動性更小一些，更加接近與實際的測量過程。對于整個測量過程，采用此方法剔除異常數(shù)據(jù)，得到的應(yīng)變更加接近于實際情況，滿足工程應(yīng)用的要求。

4 結(jié)束語

格拉布斯準則對于異常數(shù)據(jù)的剔除的實現(xiàn)有很好的效果，采用格拉布斯準則對測量結(jié)果的處理，數(shù)據(jù)分布情況更為合理可信，滿足工程應(yīng)用要求。啟閉力監(jiān)測過程中，采用貼應(yīng)變計的方法，由于結(jié)構(gòu)受力過程中應(yīng)力集中的影響，測量的某些值可能會出現(xiàn)測量不準的情況，經(jīng)過有限元分析結(jié)構(gòu)的受載狀態(tài)，由于應(yīng)變計布置在應(yīng)力集中附近導致測量結(jié)果的不準確，需要對這些測量不準確的數(shù)據(jù)進行剔除。

[1] 劉允芳,劉元坤.圍壓試驗在空心包體式應(yīng)變計地應(yīng)力測量中的作用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(23):3932-3937.

[2] 尹福炎,王成林.應(yīng)變膠粘劑對應(yīng)變計和傳感器性能的影響[J].衡器, 2004, 33(2):13-22.

[3] 遲慶璽，司錫才.基于格拉布斯準則的雷達信號分選方法探討[J].傳感技術(shù)學報，2006,19(6)：2625-2629.

[4] 王中宇，劉志敏,夏新濤，等.測量誤差與不確定度評定[M].北京:科學出版社，2008.

[5] 盧元磊,何佳洲,安瑾,等.幾種野值剔除準則在目標預測中的應(yīng)用研究[J].指揮控制與仿真，2011,33(4):98-102.

[6] 朱曉東，覃啟東．基于ANSYS平臺含圓孔薄板的應(yīng)力集中分析[J].蘇州大學學報(工科版) ，2004，24(5)：51-53.

[7] Pehan S,Hellen T K,Flasker J,etc.Numerical methods for determining stress intensity factors as crack depth in gear tooth roots[J].International Journal of Fatigue,1997(10)：125-127.

[8] 李浩,蔣凱輝,王立軍.基于AUTODESK INVENTOR 和 ANSYSWORKBENCH 的水工閘門底座計算分析[J].水運工程,2008(6):46-50.

[9] 朱耿軍.基于ANSYS 軟件平臺的弧形閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].南京:南京水利科學研究院,2005.

[10] Reifsnider K,Case S,Duthoit J.The mechanics of composite strength evolution[J].Composites Science and Technology,2000，60(12)：2539-2546.

[11] 劉力,李明萬,賈糧棉.基于 ANSYS 的有限元分析在工程中的應(yīng)用[J].黃石理工學院學報,2008,23(5):31-34.

[12] 宋少云，尹芳．有限元網(wǎng)格劃分中的圣維南原理及其應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2012(8)：63-65.

Analysis of the Steel Gate Lug Plate Dynamometer

LIXin,GUOJianbin

(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

Analysis the lug plate’s load stress is an effective measurement techniques to get the hoisting force of the lug plate, because of some reasons in the actual measurement has inaccurate phenomenon.By ANSYS finite element method and the analysis of test data measuring point we know that the plate have stress concentration.By the analysis showed that stress concentration is an important reason for the deviation of the measurement results.The test results show that Grubbs can meet a good results for the selection of the stress detection point.In this way,we can effectively eliminate stress test data exist large fluctuations and the reference point between the measured characteristics laws and other abnormal deviation phenomenon,better meet the test accuracy engineering needs.

steel gate lug;ANSYS finite element analysis;stress concentration;Grubbs

2014-09-01

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新基金(BY2012007);江蘇省水利科技重點項目(2009041)

TV34

A

1001-2257(2014)11-0042-04

李欣(1990-)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，研究方向為水利機械監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計；郭建斌(1972-)，男，江西鷹潭人，副教授，研究方向為水利機械安全。