目 录

第一章 绪论..............................................................................................................................1

1.1 课题提出的背景及国内外研究现状 ..........................................................................1

1.1.1 起重机械概况与发展趋势 ................................................................................1

1.1.2 课题提出的背景 ................................................................................................2

1.1.3 国内外疲劳载荷谱的研究现状 ........................................................................4

1.2 课题研究的内容、来源及意义 ..................................................................................6

1.2.1 课题研究内容 ....................................................................................................6

1.2.2 课题的来源 ........................................................................................................7

1.2.3 课题研究的意义 ................................................................................................7

1.3 本章小结 ......................................................................................................................8

第二章 起重机载荷谱与疲劳剩余寿命计算..........................................................................9

2.1 疲劳载荷谱的概念 ......................................................................................................9

2.2 载荷谱的相关参数 ....................................................................................................10

2.2.1 起重机的设计预期寿命 ..................................................................................10

2.2.2 起重机的载荷状态级别 .................................................................................. 11

2.2.3 起重机典型工作过程 ......................................................................................12

2.3 疲劳破坏 ....................................................................................................................12

2.3.1 线弹性断裂力学理论 ......................................................................................12

2.3.2 疲劳破坏现象及 Miner 法则 ..........................................................................14

2.3.3 疲劳剩余寿命 ..................................................................................................16

2.4 载荷谱是疲劳剩余寿命预测的关键数据 ................................................................18

2.5 本章小结 ....................................................................................................................18

第三章 统计学习理论与支持向量机原理及算法................................................................19

3.1 统计学习理论 ............................................................................................................19

3.1.1 学习问题的模型 ..............................................................................................20

3.1.2 经验风险最小化原则 ......................................................................................21

3.1.3 VC 维.................................................................................................................22

3.1.4 推广能力的界 ..................................................................................................23

3.1.5 结构风险最小化原则 ......................................................................................23

3.2 支持向量回归学习机................................................................................................ 25

3.2.1 支持向量机简介.............................................................................................. 25

3.2.2 支持向量机回归问题...................................................................................... 27

3.2.3 e - 不敏感损失函数和e - 带 ......................................................................... 28

3.2.4 支持向量回归机.............................................................................................. 29

3.3 支持向量机算法........................................................................................................ 30

3.3.1 支持向量回归机的算法描述.......................................................................... 30

3.3.2 序列最小最优化算法描述.............................................................................. 31

3.4 本章小结.................................................................................................................... 34

第四章 起重机当量载荷谱获取与预测软件开发................................................................ 35

4.1 软件开发平台介绍.................................................................................................... 35

4.1.1 C++的特性 ....................................................................................................... 35

4.1.2 Visual C++ 6.0 简介 ......................................................................................... 35

4.1.3 Visual C++ 6.0 的编程特点 ............................................................................. 36

4.2 软件开发思路............................................................................................................ 36

4.2.1 建立起重机参数数据库.................................................................................. 36

4.2.2 对原始数据的处理.......................................................................................... 38

4.2.3 软件的训练过程.............................................................................................. 40

4.2.4 软件的测试过程.............................................................................................. 41

4.2.5 软件的预测过程.............................................................................................. 41

4.2.6 编写在线帮助文件.......................................................................................... 42

4.3 软件流程图................................................................................................................ 43

4.4 软件的功能特点........................................................................................................ 44

4.4.1 数据格式重排功能.......................................................................................... 45

4.4.2 起重机工作数据来源的选择功能.................................................................. 45

4.4.3 起重机不同类型的选择功能.......................................................................... 45

4.4.4 起重机的非标选择功能.................................................................................. 47

4.4.5 数据库链接功能.............................................................................................. 47

4.5 本章小结.................................................................................................................... 48

第五章 软件应用及工程实例................................................................................................ 49

5.1 软件的首界面介绍.................................................................................................... 49III

5.2 工程实例一 ................................................................................................................49

5.3 工程实例二 ................................................................................................................58

5.4 工程实例结论 ............................................................................................................59

5.5 本章小结 ....................................................................................................................60

第六章 支持向量机与最小二乘、神经网络三种方法的比较............................................61

6.1 利用最小二乘法进行起重机载荷谱的获取与预测 ................................................61

6.2 利用 BP 神经网络进行起重机载荷谱的获取与预测 .............................................63

6.3 比较结论 ....................................................................................................................65

6.4 本章小结 ....................................................................................................................66

第七章 结论与展望................................................................................................................67

7.1 结论 ............................................................................................................................67

7.2 论文的创新点 ............................................................................................................67

7.3 不足及展望 ................................................................................................................68

参考文献..................................................................................................................................69

致 谢......................................................................................................................................73

攻读学位期间发表的学术论文目录......................................................................................75

 

                                  第一章 绪论
1.1 课题提出的背景及国内外研究现状
1.1.1 起重机械概况与发展趋势
　　纵观人类五千多年的发展史，物料搬运自人类出现开始就伴随于人类的生产活动当中，并起到了非常重要的作用。早在中国古代，聪明的前人就发明了桔用来浇灌田地，也就是臂架型起重机的最早的雏形。古代的西欧发明了由人力或畜力来提供动力的转动臂架起重机。随着社会的进步，到达19世纪的前期，真正意义上的桥式起重机问世了，其上面的大部分由木质材料制作的重要结构件如轴、齿轮和吊具等都已经用金属材料取代了，动力方面也由水力替代了人力或畜力。19世纪八、九十年代，蒸汽机时代的到来更加加速了起重机的向前发展。20世纪前期，工业进入了电气和内燃机时代，起重机的动力发生了巨大的变化，其功能和种类也变得更加广泛。
　　如今，起重机行业不断引进新材料、新工艺，使得起重机的发展更加快速迅猛。起重机的种类和品质，随着机械装备制造技术和工艺的不断提高，也得到了极大的丰富和提高。进入21世纪之后，工业生产也发生了翻天覆地的变化，尤其是在港口、冶金和建筑行业中，起重机发挥的作用日趋凸显，因此起重机的设计和制造受到了社会的更加关注。越来越多的设计方法不断涌现出来。随着计算机技术的不断迅猛发展，它的应用渗透到了各行各业，机械的许多现代设计方法应运而生，产品的制造和检测技术也得到了很大的提高。起重机行业也得益于技术的不断进步，进入了一个飞速发展的时期。随着起重机市场的不断扩大，也加剧了工业大国之间的激烈竞争，尤其是在技术革新上的竞争。这些都促使起重机的设计、研发、制造和检测的手段进入一个全新的发展时期。近年来，国内外主要工业国家的起重运输机械为了适应国际市场的激烈竞争，不断的提高其技术含量，其发展趋势如下：
　　向大型化和专业化发展。随着起重运输机械在各行各业中的应用，其生产规模和生产效率的不断提高，使得起重机械不断向大型化发展，而且由于各行业中的工作环境和用户需求各不相同，也促使其专业性更加明显；
　　2）向模块化和组合化发展。由于市场的激烈竞争，使得起重机械的设计制造速度成为了取胜的关键。模块化和组合化生产，可以提高整机的设计和生产制造的效率，也可以降低产品的制造成本，提高市场竞争力；
　　3）向轻型化和多样化发展。由于起重机绝大多数为通用型，工作强度比较低，这类起重机的适用范围特别广，销量特别大，在满足特定场合使用需要的情况下，促使起重机向多样化发展；为了降低材料成本，尽量简化结构，使自重降低；
　　4）向自动化和智能化发展。随着科学技术的不断进步，交叉学科之间的联系也日趋紧密，随着电子计算机、液压技术、控制技术等方面的发展，促使起重机向自动化和智能化发展；
　　5）向成套化和系统化发展。在单机自动化的基础上，利用计算机技术将一定生产场合内的单机集成为系统，使其成套化；
　　6）向新型化和实用化发展。
　　1.1.2 课题提出的背景
　　起重机械作为工业企业的“脊梁”，是生产组织中必不可少的生产工具，在经济建设中起着不可或缺的重要作用，并被认定为重大技术装备行业中的特种设备。特种设备中除了起重机械，还有电梯、压力容器、厂内机动车辆等。它们作为国民经济的重要基础设施和重大生命线，涉及到国民经济、人民生活的各个领域，如果特种设备在使用过程中发生了重大事故，经济损失将会非常严重，也将给社会造成恶劣的影响。因此，确保特种设备的安全不仅仅关系到人民的生命和生产的安全，更加涉及到国家经济的运行安全。
　　起重机械作为特种设备的一种，由于应用在各行各业，使用范围极其广泛，最容易发生生产事故。据资料表明，国内外每年都有大量的因起重机的使用出现的财产损失以及人身伤害事故[1,2]。随着经济的迅猛发展，起重机械的需求也随之逐渐增加，并根据实际应用的情况，不断的向大型化、专业化、自动化和智能化方向发展。因此，起重机事故也随之增加。特别是我国这类发展中国家，因生产管理的制度不够健全，安全生产意识薄弱，起重机事故的比例更加严重。
　　一般起重机械的使用寿命都比较长，在10-30年左右。起重机械的主要承载部件在长时间的变动载荷的作用之下，很容易引起疲劳断裂问题。根据近150年的统计资料表明[3]，有80%以上的金属构件断裂是由于疲劳破坏造成。由此可见，起重机金属结构失效的主要形式即是疲劳破坏[4,5]。由起重机结构的疲劳断裂引发的重大事故非常之多，仅最近两年就有多起该类型事故发生，其中某炼钢厂125t铸造起重机的主梁由于疲劳断裂使得整机坍塌，造成了多人伤亡和重大经济损失的事故[6]。
　　起重机械金属结构的主要破坏形式——疲劳断裂，对起重机的使用寿命起到了至关重要的作用[7]。而且疲劳断裂常常是一种突然的现象，结构在频繁的载荷作用下，通常表现为没有任何征兆的突然断裂，造成灾难性的结果。据相关资料统计，金属结构的失效有50%～90%属于疲劳断裂[8]。为此，各国政府和科研机构开始对起重机械疲劳断裂问题进行大量研究，可望在设备疲劳断裂之前能够报告给用户，从而避免事故的3发生。解决起重机疲劳断裂的先决条件是编制出能模拟起重机金属结构真实使用情况，具有代表性的典型载荷——时间历程，即载荷谱。由于载荷的随机性和不确定性，导致无法将实测结果直接应用于理论分析与工程实践，而需构建一种能本质反映起重机结构系统在各种工况下所受载荷随时间变化的当量载荷谱。获取当量载荷谱首先要对起重机进行大量的数据调研，采集不同类型，不同额定起升载荷的起重机在一段时间内对应不同起升载荷的工作循环次数簇；然后利用恰当的统计分析方法，建立对应类型桥式起重机不同额定起升载荷的不同起升载荷与工作循环次数的映射关系，最后利用该映射关系获取或预测该类型典型或未来起重机的当量载荷谱。根据起重机工作的随机性可知当量载荷谱的建立属于非线性回归问题。虽然传统回归方法基本上可以找到起升载荷和工作循环次数的大致关系，但是这种回归方式是建立在准确的数学表达式的基础上，而起重机的工作方式随机性比较大，很难用特定的数学表达式进行回归。目前有的学者利用最小二乘法和神经网络的方法对载荷谱数据进行回归模拟，但是和目前最新发展起来的支持向量机方法相比还是有一定的局限性。
　　本文采用的支持向量机方法是以统计学习理论为基础，借助于最优化方法解决数据挖掘中若干问题的有力工具，它在一定程度上克服了“维数灾难”和“过学习”等传统困难，具有简洁的数学形式、直观的几何解释和良好的泛化能力，近年来在文本分类、故障识别和预测、时间序列预测等领域有了成功的应用。支持向量机优点如下：
　　它专门针对有限样本情况，其目标是得到现有信息下的最优解而不仅仅是样本含量趋于无穷大时的最优值；
　　2）算法最终将转化成为一个二次型寻优问题，从理论上说，得到的是全局最优解，解决了在神经网络方法中无法避免的局部极值问题；
　　3）算法将实际问题通过非线性变换转换到高维的特征空间，在高维特征空间中构造线性判别函数来实现原始空间中的非线性判别函数，引进的核函数能有效的使得支持向量机具有很好的泛化能力，更重要的是解决了高维问题，使其大大的降低了运算的复杂度；
　　4）由于支持向量机对经验风险和置信范围都加以考虑，并将结构风险最小化作为优化目标，因此其具有非常好的推广能力。因此，本文通过对支持向量机方法的深入学习研究，使其应用于起重机载荷谱的获取，并开发出相应的应用软件。本课题为起重机疲劳剩余寿命估算提供了更加可靠的基础性数据，以期更加准确的估算起重机的剩余寿命，确保其在工作过程中的安全可靠，因此，本课题是一个具有现实和深远意义的课题。
　　1.1.3 国内外疲劳载荷谱的研究现状
　　最早，疲劳载荷谱的研究的主要目的是用来提高军用飞机的可靠性，随着研究的不断深入，民营企业也开始加大研究力度，尤其是在汽车行业方面，疲劳载荷谱的研究可以有效的提高汽车的可靠性。在工程机械方面，国外的起步比较早，而且也已经形成了一整套比较完善的编制载荷谱的方法。而国内对于疲劳载荷谱研究还比较少，而且技术水平与国外发达国家相比还差的很远。国外取得了很多疲劳载荷谱的研究成果，盖斯诺在1935年就提出了利用程序疲劳试验法来编制载荷谱。美国人迈因纳在1945年提出了Miner定律，从那时起疲劳载荷谱开始引起了工程机械界的注意，编制载荷谱的方法也逐渐成熟起来，最为大家接受的有英国的“疲劳累积”法、荷兰的常均法和北约组织的FALSTAFF标准方法[9]。
　　我国研究疲劳载荷谱的目的是解决军用飞机的定寿问题，开始于70年代，并将该研究应用于歼七、歼八等第二代军用飞机，取得了很好的结果。在国军标GJ867.6-85《军用飞机强度和刚度规范》中列出了几种最常见的编制载荷谱的方法，如飞行模拟法、比较法和飞行实测法。进入80年代，大多研究者都是先采用比较法编制飞机的设计载荷谱，然后再利用飞行实测采集的数据对设计载荷谱进行修正。后来，随着计算机应用技术的不断发展，学者们都希望引用计算机技术编制的载荷谱能实际的反映出飞机飞行的每一个工作情况，为此许多研究采用飞行模拟法与小样本实测相结合的方法进行编谱。在汽车行业里，疲劳载荷谱的研究最早是在转向机构、整车模拟、悬挂等部件上进行的模拟试验[10]。80年代的中后期，曾有一些学者提出过利用编制疲劳载荷谱的方法对汽车的零部件进行可靠性分析。进入90年代，国家和企业都开始对编谱重视起来，并走上科研和经商结合的道路，通过引进国外的先进设备和学习国外的试验规范，并借助国外已有的载荷谱数据进行模拟试验，例如长春一汽研究所在80年代就从美国引进了应用于汽车数据采集、测试及强度寿命并具有远程控制参数技术的试验台[11]。90年代，作为我国最大的工程机械制造商徐州重型机械公司，组建了工程机械整机及其零部件产品的质量监督检测站，可用来采集、编辑、模拟、强化工程机械实际作业工作状态的动态载荷，并能精确的实现实际载荷谱的记录，其主要目的是用于工程机械中的主要承载结构件的可靠性试验、试验研究、性能检验及开发设计。
　　如今，经过多年的工程应用和编制疲劳载荷谱的实践，已经拥有了各种机械和零部件的载荷谱数据，如：运输机、战斗机、桥式起重机[12,13]、拖拉机、港口起重机[14]、铝合金自行车、汽车桥壳及其半轴等等，而这些数据将成为可靠性设计和寿命预测研究的重要依据。在道路、桥梁等领域，世界各国都已经根据本国的实际情况开展5了关于这方面的研究工作，例如：英国在BS5400桥规中编制了用于刚桥疲劳设计的车辆载荷谱[15]。在我国，同济大学的童乐为、沈祖炎编制了18类日常典型的营运车辆组成的载荷频值谱[16]。铁道部和南昌大学合作利用统计分析理论与现场实际测量相结合的方法对刚梁的疲劳载荷谱进行了大量的跟踪监测研究，收集了T20多座桥梁的实测数据样本，并编制出各种桥梁的应力谱。通过归纳总结，对于载荷谱编制过程研究主要有以下几个方面：
　　数据样本的获取。最普遍的方法通过在现场进行实际测量，从而获取大量数据组成的载荷——时间历程。雷宏刚等人提出，对于随机载荷，可根据载荷幅值的分布规律用蒙特卡罗法产生给定分布的抽样序列模拟随机载荷历程，并通过此方法得到了1000个符合轻级或中级吊车的随机吊重序列。肖晓晖等人用有限元动态响应与现场实测相结合、修正理论模型和试验模型验证的方法，获得了各种关键部位在各种工作状况下的载荷——时间历程，并编制了DBQ3000塔式起重机的关键部件在各种工作状况下的疲劳载荷谱[17]。
　　2）对于平稳性的检验。对于时间序列的研究，平稳数列的问题是一个非常重要的研究领域。针对时间序列平稳和不平稳的性质，其处理的方法也是非常不同的，但是最重要的是在进行统计处理之前一定要确保载荷的随机过程是平稳的。样本总体均值和相关函数的方法是人们经常采用的检验信号平稳性的方法。同时，在工程的应用上面，有的学者认为这种检验方法不太方便，于是提出了利用轮次检验的方法进行平稳性的检验。
　　3）对于无效幅值的取舍。无效幅值的概念是指不能构成疲劳破坏的小载荷循环。Fuchs等人通过针对汽车疲劳载荷谱的试验证明，10％的大载荷占据了整个谱破坏的95％。因此，把这些不能构成疲劳破坏的大量小载荷去掉，就可以降低试验时间和减少试验费用，这种理论在加速寿命试验当中得到了特别好的应用效果。A. M. Carse通过大量进行试验指出，小于1.75σ(σ为服从正态分布载荷的标准差)的载荷应该被去掉[18]。郭虎等人在车辆随机载荷谱统计分析研究时也提出了去掉随机载荷历程极差的5％的小载荷。J. C. Conover等人也同意，去掉小载荷的5％对疲劳寿命的计算不会产生影响[19]。Heuler. P等人认为小于材料疲劳极限50％的这部分小载荷可以不计对试样的损伤破坏[20]。综上所述，只要被去掉的小载荷不能对试样构成疲劳损伤破坏，就不会对疲劳寿命计算造成影响。
　　4）统计计数。统计计数就是把载荷——时间历程简化为全循环或半循环的过程。计数的方法通常有两类：分别是功率谱法和循环计数法。关于产品可靠性方面的研6究，循环计数法使用最为广泛。现今国内外已经研究制定了多种循环计数法，例如雨流计数法、峰值计数法、幅值计数法、四峰值法、穿级计数法和跨均峰计数法等等。基于“双参数”的雨流计数法的提出，因其能真实反映材料的疲劳损伤规律并易于实现计算机编程处理而受到国内外的公认，且在计数法则上由其曾采用的“四峰谷计数法则”发展到“三峰谷计数法则”，这不仅简化了计数，大大提高了计数速度，而且免除了雨流法的第二阶段计数。针对于随机载荷的不规则系数大于0.65~0.70的情况，利用这种循环计数法中的统计均幅值数据方法现已得到了国内外的广泛认可[21]。
　　5）确定最大载荷。由于最大载荷具有随机特性，但是因为测量设备条件有限，使得现场实测的工作载荷样本数据的记录受到影响，可能会漏掉不常出现的最大载荷，对此Conover提出了概率推断法，确定概率为10-6的载荷作为最大载荷。我国高镇同院士分析认为，在累积频次不是特别大的情况下不需要采取概率10-6确定载荷的方法，可以将实测的最大值放大1.1~1.5倍的方法来取得。另外，还可以采用曲线板外推法进行实测，但这种方法有非常大的人为因素，并且它们的重复性和可比性能也非常差。孟宪皆等人提出了利用下降法来求解最大载荷，此方法是最大载荷求解方法中精度较高的，而且还解决了最大载荷确定中理论上唯一求解和实践上难以模拟的问题[22]。
　　6）总体的分布估计。雨流法得到的是由随机动载荷应力均值和应力幅值二元随机变量的联合分布矩阵，因此常用幅值法和均值法联合进行分布估计，再对其结果进行分布检验，最后得出二者的相关性。有的学者提出采用Goodman等寿命曲线来进行当量二维应力谱的一元化，目的是简化编谱过程的平均应力对疲劳损伤的影响。而陈欣等人研究多工况随机载荷谱车辆传动系时，指出舍去以前的Goodman方法，将Geber二次曲线应用在二维随机变量转化为等效的一维随机变量过程中，这样就避免了均值中出现了负值而导致成错误转化的现象[23]。综上可知，目前国内外载荷谱的研究主要是应用于工作载荷影响下，对机械的关键零部件和结构件进行应力分析，并编制成载荷谱用于疲劳寿命计算以及对零部件进行可靠性分析和疲劳设计。
　　1.2 课题研究的内容、来源及意义
　　1.2.1 课题研究内容
　　本课题是为起重机疲劳寿命的评估获取重要的基础性数据——起重机当量载荷谱。主要研究内容是通过对起重机进行大量的数据调研，采集不同类型，不同额定起升载荷的起重机在一段时间内对应不同起升载荷的工作循环次数簇，建立数据库；应用当前先进的人工智能技术——支持向量机，建立对应类型起重机的额定起升载荷和7起升载荷与工作循环次数的映照关系，最后利用该映照关系获取或预测该类型典型或未来起重机的当量载荷谱。并利用可视化程序设计语言VC++6.0编制了支持向量机在起重机载荷谱获取与预测的应用软件。并将软件计算结果与实验结果进行比较，表明具有较高的吻合性和实用性。课题可大体分成以下五大部分：
　　深入研究起重机载荷谱和疲劳寿命计算的相关理论知识，得出解决起重机疲劳断裂的先决条件是编制出能模拟起重机金属结构真实使用情况，具有代表性的典型载荷——时间历程，即载荷谱。
　　2）对铸造和通用类型桥式起重机分别进行大量的数据调研采集不同类型，不同额定起升载荷的起重机在一段时间内对应不同起升载荷的工作循环次数簇，建立相应的数据库；
　　3）深入学习支持向量机的相关知识，掌握其算法原理，利用支持向量机回归算法建立对应类型起重机的额定起升载荷和起升载荷与工作循环次数的映照关系，并根据实际需要利用 VC++6.0 编程语言编制起重机载荷谱获取的软件。
　　4）将该软件应用于工程实例进行试验并与实际结果进行比较，验证软件的实际效果。
　　5）将支持向量机方法的工程实例结果和最小二乘法、神经网络方法的结果进行对比，从而证明支持向量机方法的优越性。
　　1.2.2 课题的来源
　　本课题主要是针对特种设备中起重机使用的安全寿命和安全监测提出的，针对起重机载荷谱是起重机疲劳剩余寿命计算的关键因素，引进支持向量机的回归理论作为探索起重机载荷谱获取的新方法，并编制出相应软件，从而为起重机结构疲劳剩余寿命评估的更加准确打下坚实的基础。课题的来源如下表 1 所示：表 1 课题来源列表Tab 1 Subject source list专题名称 项目名称 (子)专题编号国家科技支撑计划项目(子)专题起重机械(结构)系统可靠性分析与关键部件剩余寿命评估方法研究2006BAK02B04-01-021.2.3 课题研究的意义论文以特种设备行业国内外存在的巨大差距为背景，从起重机械行业的寿命预测和安全监察手段和设备近于原始这一亟待解决的现实问题着手，主要研究目的是为桥式起重机疲劳剩余寿命估算提供基础性数据——起重机当量载荷谱，并开发了桥式起8重机疲劳载荷谱获取软件。利用该软件可大大节省起重机现场实测的烦琐过程和大量投入，快速、有效地获取起重机的当量载荷谱，另外，通过在使用过程中对数据库调研数据的增加，使获取或预测的当量载荷谱更趋向符合实际。该软件内部运行机理是利用目前最先进的智能方法——支持向量机回归理论算法，实现对相应类型或未知桥式起重机当量载荷谱的预测。利用本软件，使得操作人员不需要掌握支持向量机的相关理论，而且操作简单实用。本软件可供我国起重机行业应用，也可以为政府管理和决策部门提供技术支持。本课题成果克服了前人所做课题的局限性，为起重机的疲劳剩余寿命评估提供了可靠数据。从而使得起重机疲劳剩余寿命估算的更加准确可靠。
　　1.3 本章小结
　　本章简要介绍了疲劳载荷谱在各个领域的研究现状，指出起重机载荷谱在疲劳寿命预测中的重要性，并提出采用支持向量机方法获取起重机载荷谱，说明了本文研究课题的背景，研究的主要内容及研究意义。