桥式起重机金属结构风险评估及其可靠性分析.pdf
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1、 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 桥式起重机金属结构风险评估及其可靠性分析 姓 名:李 波 学 号:1070109049 导 师:王德禹 教授 专 业:工程力学 研究方向:结构安全性能分析 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 2010 年 1 月 Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master of Science Risk Assessment of Metallic Structure in Bridge Crane and Its Reliability C
2、andidate: Li Bo Student No.: 1070109049 Supervisor: Professor Wang De-yu Major: Engineering Mechanics Field: Safety Analysis in Crane School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering Shanghai Jiao Tong University January, 2010 第 I 页 桥式起重机金属结构风险评估及其 可靠性分析 桥式起重机金属结构风险评估及其 可靠性分析 摘摘 要要 随着科学技术的发
3、展, 机械设备的现代化性和完善性的要求不断 提高,作为装卸系统中的起重机械,需要保证每一环节的正常运行, 否则会因机械系统故障而带来不同程度的危害, 轻则影响生产, 造成 经济损失, 重则导致人身伤亡和设备严重破坏等重大事故。 故对一台 现行服役起重机进行安全性能分析, 人们可以对起重机安全性能有一 个定性的认识,在实际工程应用中,有着积极的意义。 本文采用模糊综合评判数学法对桥式起重机金属结构进行风险 评估, 进而得到风险度量值; 运用蒙特卡罗法与有限元技术对桥式起 重机金属结构进行可靠性分析, 得到不同服役年龄下桥式起重机金属 结构可靠度,现将其主要内容概括如下: (1)从腐蚀、裂纹、强度
4、及变形四个方面考察桥式起重机金属结 构潜在风险; 根据桥式起重机风险因素的特点, 应用模糊综合评判数 学理论, 建立以桥式起重机不同金属结构破坏为子系统的多层次综合 评判系统。 (2) 风险评估中,风险发生概率隶属度矩阵的确定是以可靠性分 析结果为参照, 可靠性的分析方法同样采用的是模糊综合评判法; 风 险概率隶属度矩阵与风险影响隶属度矩阵均由专家评定给出。 (3) 基于汇编语言 Matlab ,建立桥式起重机金属结构风险评估可 第 II 页 视化用户界面, 使数据以清晰、 直观的方式展示出来, 便于用户操作, 更好的实现人机一体化。 (4)提出起重机腐蚀实测数据统计分析流程,引入起重机的腐蚀
5、 深度模型三参数幂函数表达形式; 应用蒙特卡罗法与有限元技术, 以 板厚、外载荷、材料屈服极限、弹性模量作为参数变量,从强度、变 形及屈曲三个方面考虑结构的失效模式;基于 Msc.nastran 及 Isight 平台,对桥式起重机金属结构进行可靠性分析。 关键词关键词:起重机,风险,评判系统,可靠性 第 III 页 RISK ASSESSMENT OF METALLIC STRUCTRUR IN BRIDGE CRANE AND ITS RELIABITY ABSTRACT With the rapid development of economy and high level of mec
6、hanization and automation, the technique of crane develops more and more quickly. Due to popularity of using crane, people pay more and more attention to the security. As we know, the longer time a crane works, the more insecure it will be. If the accident occurs, it will cause economic loss directl
7、y, even number of injuries and deaths. Risk assessment in crane is of practical significance in project. This paper has a risk assessment in crane using the method of Fuzzy Comprehensive Evaluation. It supplies the reference for people to reduce the risk directly. The main context as follows: 1) The
8、 latent risk of metallic structure in bridge crane composes of four parts, which are damages by corrosion,crack,intensity and deformation. According to the character of the risk factors in bridge crane, we can establish the complex assessment system based on the different of the metallic constructio
9、n damage in bridge crane as subordinate system. 2). According to the result of reliability analysis, we can get the result of the risk matrix of probability. The method of Fuzzy Comprehensive Evaluation also applies to reliability analysis. The risk matrix of probability and the risk matrix of affec
10、tion are assessed by experts. 3).We use the software Matlab to establish visualization of graphical user interface. The results can be showed on more clearly intuitively. User can operate it more easily. 4).This paper puts forward statistical analysis process about collected corrosion data of crane
11、and introduce three parameter power function about the depth of corrosion of crane. Applying Monte-Carlo and finite element technique, referring to thickness of plate, external load, limit of yielding and modulus of elasticity as parameters and intensity, distortion, flexion as the factors of failur
12、e modes, based on 第 IV 页 software Msc.nastran and Isight, we have reliability on metal structure of crane. At last, we use an ordinary bridge crane as an example and have a reliability analysis of its metallic construction. KEY WORDS: crane, risk, assessment system, reliability 第 V 页 目 录 摘 要. I ABST
13、RACTIII 第一章 绪论.1 1.1 引 言.1 1.2 风险评估研究.2 1.2.1 常用的风险评估方法.4 1.2.2 风险评估研究的发展状况.6 1.2.3 起重机金属结构风险评估应用前景.7 1.3 结构可靠性研究.8 1.3.1 可靠性研究发展状况8 1.3.2 起重机金属结构可靠性应用前景8 1.4 本文研究的主要内容.9 第二章 模糊综合评判理论.10 2.1 模糊数学基本原理简介.10 2.2 综合评判数学原理. 11 2.3 综合评判具体模型.13 2.3.1 综合评判具体模型简介13 2.3.2 四种综合评判模型的适用范围15 2.4 权重的确定方法.16 2.5 模糊
14、综合评判数学模型18 2.5.1 模糊综合评判一级数学模型18 2.5.2 模糊综合评判多级数学模型.19 第三章 桥式起重机金属结构风险评估综合评判模型建立.21 3.1 概述.21 3.2 桥式起重机结构简介.21 3.2.1 桥式起重机构造.21 3.3 桥式起重机金属结构风险因素.24 3.3.1 腐蚀影响因素25 3.3.2 裂纹影响因素28 3.3.3 强度影响因素30 3.3.4 变形影响因素31 3.4 桥式起重机金属结构风险评估综合评判模型层次划分.33 第 VI 页 3.4.1 多级综合评判系统的层次划分33 3.4.2 分级标准 34 3.4.3 桥式起重机金属结构风险评
15、估模糊综合评判框架.35 3.4.4 概率与影响隶属度矩阵确定.37 3.5 应用举例38 第四章 可视化界面程序实现.43 4.1 程序语言选择.43 4.2 软件功能流程图43 4.2.1 权重系数确定43 4.2.2 可靠性结果确定43 4.2.3 风险度输出.45 4.3 软件使用说明45 4.3.1 权重系数确定45 4.3.2 可靠性评判结果确定50 4.3.3 风险度输出 .51 第五章 桥式起重机金属结构可靠性分析有限元仿真.52 5.1 结构可靠度表达式.52 5.2 蒙特卡罗法原理简介53 5.3 起重机金属结构可靠性分析流程.53 5.4 应用举例.54 5.5 结 论6
16、0 第六章 全文总结与展望.62 6.1 全文总结.62 6.2 全文展望.62 参考文献.64 致 谢.67 攻读硕士学位期间已发表或录用论文.68 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引引 言言 起重机主要用于提升(或降低)和搬移长大笨重货物,是现代工业企业、交通 运输业以及建设部门不可缺少的起重设备,其优点主要体现于减轻繁重体力劳 动、提高劳动生产率。伴随现代科学技术的发展,人们对机械设备的完善性提出 了越来越高的要求, 机械的功能水平和自动化水平要求不断提高, 机械的组织结 构越来越复杂。 作为装卸系统中转载货物的起重机械, 如果不能保证每一环节的 正常运行,就会导致机械系统故
17、障,从而会带来不同程度的危害,影响生产,造 成经济损失,甚至还会导致人身伤亡和设备严重破坏等严重事故。为此,保证起 重机服役安全性已被人们越来越重视, 安全性已成为评价起重运输机械质量的重 要性能指标。 近几十年的发展, 我国起重机行业已经形成一定规模, 市场占有率在不断提 高。 随着起重机产品的起重额定吨位的不断增大, 机械的大型化是其发展的必然 要求。 由大连重工 起重集团有限公司为烟台来福士海洋工程有限公司建造的名 为“泰山”的多吊点桥式起重机,起吊吨数可达 2 万吨,是目前世界上起重量最 大、跨度最大、起升高度最大的起重设备,也是当今世界技术难度最高的大型起 重设备,此前,世界上最大的
18、同类起重设备只能起升 7000 多吨的重量。由于机 械大型化使其安全性越来越引起人们的重视。 起重机械的安全性会随着其服役年 龄的增长而有所降低, 安全性的降低意味着起重机潜伏着各种不同的风险, 而这 些风险将是诱发起重机不同事故的直接原因。如 1987 年 3 月江苏谏壁电厂 1 台 16 吨带斗门机臂架断裂引起整机倒塌; 1987 年 8 月上港 7 区(今上海煤炭装卸公 司)1 台大型卸煤机主臂架突然断裂造成灾难性破坏;1995 年香港友联公司 1 台 40 吨 41 米多用途起重机臂架系统突然断裂失效;1997 年 3 月山东日照港 1 台 16 吨起重机突然臂架折断; 2001 年
19、7 月 17 日以及 2008 年 5 月 30 日上海市沪东 中华造船(集团)分别发生门式起重机与龙门吊垮塌重大事故,上述事故大部 分都在正常作业状态下发生, 造成人员伤亡及巨大的经济损失。 事后调查表明绝 大部分事故是由于金属结构失效引起的。 因此, 考察起重机金属结构安全性已成 第 2 页 为企业科学管理和安全生产的迫切需要。 对于起重机,其建造成本一般都很昂贵, “泰山”的多吊点桥式起重机其投 资金额高达 2.6 亿元人民币, 对于买方而言, 一次性投资于固定资产的金额较多。 从经济效益讲, 人们都希望所购买的起重机可以安全使用的年限越长越好, 这也 是企业管理非常重要的一个方面。 因
20、此这类设备使用过程中的安全性评估和维护 保养必不可少, 如果没有安全性能分析的指导, 对于起重机潜在风险因素发生的 可能性人们往往只能有感观上的认识, 无法定性的分析这些因素所导致的风险后 果, 或者无法分析起重机由于某一金属结构处于破损状态, 而这一破损状态会对 整体风险带来的影响程度。现实生活中,人们往往只关注起重的服役年限,一味 的追求暂时的经济利润, 却忽略了及时的维修所能够避免的因事故所带来的重大 经济损失与人员伤亡。 从长远的经济效益上讲, 对在役起重机进行安全性能分析 有着积极的意义。 针对以上问题, 为保证起重机安全可靠地运行, 应尽量减少此类灾难性事故 的出现, 可以为企业最
21、大限度地降低成本。 本文宗旨在于建立起一套桥式起重机 金属结构风险评估分析体系, 即依据对桥式起重不同金属结构或部位的相应风险 因素实测数据得出该起重机的风险程度, 同时应用蒙特卡罗法与有限元技术, 对 桥式起重机金属结构进行了可靠性分析。 从而人们对一台在役桥式起重机的安全 性有了一个定量的认识。 1.2 风险评估研究风险评估研究 风险1是指在一定的时间内,由于系统行为的不确定性(主要指发生了意料 之外的事故)给人类带来危害的可能性。这种可能性既可以采用频率(单位时间 事件的发生率)表示,也可采用概率(具体环境下事件发生的机率)来表示。风 险一旦发生,必然带来一定的危害。如财产损失、人员伤亡
22、等;若对风险进行一 定的预测(评估),使人们对其发生的可能性有一定程度范围内的认识,从而对 可能发生的风险采取及时有效的预防措施, 将其发生的可能性降低到最小, 或是 使其带来的危害最小, 亦正体现了风险评估的意义所在。 从风险的定义可以看出, 风险评估需要解决的问题有: (1)可能发生什么意外事件。 (2)意外事件发生的可能性或概率。 第 3 页 (3)发生意外事件后会产生什么样的后果。 风险评估是帮助辨别、度量、量化和评价风险后果。如果我们用W表示表 示系统事件风险,P表示事件发生概率,C表示事件产生的影响,则三者的函数 关系可以表示为: ),(CPfW = (1-1) 本文中风险的度量采
23、用下式表示,即: = I ii cpW (1-2) 其中W表示风险度, i p 表示单个事件发生概率, i c 表示该事件产生的预期 后果。 对于桥式起重机金属结构的风险评估,如果评判结果即风险度W越大,则 说明这台起重机金属结构所处于的风险等级越高, 安全可使用期较短, 由结构破 坏所诱发的事故就有可能带来较大的经济损失;反之,如果风险度W较小,说 明起重机所处风险等级越低,其安全可使用期限较长。从长远的利益考虑,较小 的风险度是衡量桥式起重机安全性和经济性的重要指标。 风险评估不是风险风险分析的最终目的, 风险评估的结果只能使人们对系统 的风险度有整体的认识, 它应与风险管理相结合, 通过
24、即时的维修来降低风险才 是风险评估的意义所在。风险辨别是风险分析的第一步,而风险管理2是风险分 析的第二步。于是引入综合风险分析,综合风险分析分为风险评估、风险管理与 风险交流。 风险评估是一个确认和评价系统风险区域的过程; 风险管理是控制或 应付风险的行为; 风险交流是各个感兴趣的团体间就风险研究的结果进行相互交 流或形成文件过程。由风险评估所获得的数据,综合考虑各方面因素,可以制定 适当的风险管理程序,使系统操作者、管理者和所有者做出安全的决策。 对于在役桥式起重机的综合风险评估, 得到其整体风险程度只是工作的第一 步, 如何采取有效措施来降低结构风险才是其最终目的。 同时不同结构或部位的
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- 桥式起重机 金属结构 风险 评估 及其 可靠性分析
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