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基于数字孪生技术的起重机主梁力学状态实时监测研究

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基于数字孪生技术的起重机主梁力学状态实时监测研究

作者：李丹煜河南工业大学

学位级别：硕士

起重机械作为一种搬运机械,能够有效提高生产效率、降低工人强度、实现自动化生产,被广泛应用于如工程建设、物流仓储、船舶装卸等众多领域。然而,由于起重机在工作过程中受到环境、重负荷等复杂因素的影响,容易出现各种故障,因此对于... 详细信息

起重机械作为一种搬运机械,能够有效提高生产效率、降低工人强度、实现自动化生产,被广泛应用于如工程建设、物流仓储、船舶装卸等众多领域。然而,由于起重机在工作过程中受到环境、重负荷等复杂因素的影响,容易出现各种故障,因此对于起重机的安全性和可靠性要求越来越高。其中,起重机主梁是起重机的重要组成部分,它承担着吊装物体的重量和惯性力,其力学状态的监测对于起重机的安全生产具有重要意义。在过去,主梁的监测主要依赖于人工巡检和经验判断,存在监测效率低、监测结果不准确等问题。随着数字孪生技术的发展和应用,将其应用于起重机主梁的力学状态实时监测成为可能。数字孪生技术(Digital Twin,DT)是一种将实体系统数字化的方法,以来自真实世界实时感知数据为驱动,通过建立起重机主梁结构的数字孪生模型,可以在虚拟环境中模拟其受力状态,从而实现对其力学状态的全方位监测和分析,及时发现关键结构潜在的故障和失效,为起重机的安全生产提供有力的支持。本文将数字孪生技术应用到起重机主梁力学性能求解中,提出了一种桥式起重机主梁力学状态实时监测的数字孪生方法,并针对在数字孪生体构建过程中的关键技术提出了解决方案。主要研究内容如下。(1)针对起重机数字孪生体需要以实测数据为驱动的需求,在传统应变电测技术的基础上提出了无线应变监测方案,其中数据处理采用STC12C5410AD单片机对采集数据进行处理及模数转换,数据通过Lo Ra远距离无线传输技术传输至PC端串口进行实时读取。为起重机安全运行提供关键受力点的应变监测,并为后续起重机横梁真实载荷感知提供实测应变数据输入。(2)针对起重机数字孪生载荷感知不准确的问题,为获得起重机主梁所受到的真实载荷,深入研究了基于实测应变的载荷反求技术,并对起重机小车在不同位置工况下,设计不同的加载实验,测量各个测点位置的应变响应,求得应变响应和真实载荷之间的线性关系。并在ANSYS Twin Builder环境下,以实测应变历程为输入,载荷历程为输出,生成载荷感知模型。(3)针对数字孪生模型的构建,首先利用ANSYS Mechanical对起重机主梁部分建立精确的有限元分析模型。为实现力学性能的快速分析,深入研究了模型降阶技术及其降阶原理,对已有的有限元全阶模型进行降阶处理生成应力、变形降阶模型。最后在ANSYS Twin Builde环境下,将载荷识别模型和降阶模型进行连接,预留的应变数据输入接口与PC串口进行数据传输,读取无线应变监测系统的应变数据,并对力学状态实时计算结果进行可视化展示。最终在Twin Builder环境下实现以实测应变数据为输入,结构全局力学状态响应为输出的起重机主梁力学状态监测系统。

关键词：桥式起重机数字孪生应力监测有限元分析降阶模型

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输电导线结冰数值模拟与影响因素分析

振动与冲击 2023年第20期42卷 77-85页

作者：高鹏臧五岳李丹煜徐枫段忠东欧进萍哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院广东深圳518055 中国电力科学研究院有限公司输变电工程研究所北京100055

通过建立二维输电导线结冰模型实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热通过Fluent软件计算,采用基于拉格朗日法的离散相模型计算输电导线表面水滴收集系数,利用Fluent的用户自定义函数(user-defined function,UDF)编程求解Messinger热力... 详细信息

通过建立二维输电导线结冰模型实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热通过Fluent软件计算,采用基于拉格朗日法的离散相模型计算输电导线表面水滴收集系数,利用Fluent的用户自定义函数(user-defined function,UDF)编程求解Messinger热力学模型,计算得到了输电导线表面结冰冰形与结冰厚度。研究中考虑了风速、水滴中值体积直径、温度、空气含水量和风向角等因素对输电导线结冰特性的影响。通过UDF实现导线的强迫振动,着重分析了输电导线振动对结冰特性的影响,得到了振动幅度和振动频率对局部水滴收集系数和结冰冰形的影响规律。

关键词：输电导线结冰模型水滴收集系数热力学模型

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超大跨度深埋地下结构围岩压力计算研究

岩土力学 2015年第S2期36卷 118-124页

作者：刘仰鹏贺少辉汪大海李丹煜北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再... 详细信息

围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再适用。而结合现场勘查资料和室内外试验成果的数值模拟方法,尽管可以得到相对精确的围岩压力计算结果,但存在着计算过程复杂、计算效率低下的不足。因此,在计算分析了多种传统围岩压力计算方法与数值模拟方法获得的围岩压力所存在差异的基础上,对Q系统的围岩压力公式引入跨度项进行了修正,从而获得了能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后对不同跨度工程的围岩压力进行估算,并与监测值进行比较,对比结果良好。该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据,还可为相关研究人员提供理论参考。

关键词：深埋地下结构超大跨度围岩压力 Q系统

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大尺度平屋盖聚类最优风压分区研究

建筑结构学报 2013年第9期34卷 91-96页

作者：李丹煜杨庆山田玉基北京交通大学土木建筑工程学院

以大尺度平屋盖为研究对象,针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善,围绕大尺度平屋盖风压分区问题,在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上,利用最短距... 详细信息

以大尺度平屋盖为研究对象,针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善,围绕大尺度平屋盖风压分区问题,在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上,利用最短距离聚类法对风压测点分区,得到不同分区类数下的分区方案,用基于质量系数的聚类有效性评价法确定最佳聚类数及最佳分区方案,并采用面积权重法给出大尺度平屋盖分区风压系数。研究结果表明:大尺度平屋盖聚类最优风压分区类数为3;大尺度平屋盖角部大致在10%屋盖跨度范围内,属于风敏感部位,设计、施工时需特别注意;整个屋面平均风压系数会导致大尺度平屋盖中部偏于保守设计,角部低估了风荷载;在进行大尺度平屋盖抗风设计时,应先确定极值风压分区,并针对不同部位分别进行设计和施工。通过与规范平屋盖分区方式、常用分区方式确定的分区风压系数对比显示,聚类最优风压分区较其他方式确定的分压风压系数结果更为合理。

关键词：大尺度平屋盖风洞系数聚类原理风压分区极值风压

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电网应急预案知识图谱构建方法与应用

中国安全生产科学技术 2023年第1期19卷 5-13页

作者：周义棋刘畅龙增李丹煜陈鹏冲刘彬钟茂华清华大学工程物理系公共安全研究院北京100084 中国电力科学研究院有限公司北京100192

为提高电网应急预案知识的检索效率以及电网事故的处置效率,提出电网应急预案知识图谱的构建方法。首先,以电网自然灾害和大面积停电事件应急预案为数据源,分析电网应急预案知识内容体系框架;其次,采用基于规则与基于深度学习的知识抽... 详细信息

为提高电网应急预案知识的检索效率以及电网事故的处置效率,提出电网应急预案知识图谱的构建方法。首先,以电网自然灾害和大面积停电事件应急预案为数据源,分析电网应急预案知识内容体系框架;其次,采用基于规则与基于深度学习的知识抽取方式对应急预案进行知识抽取,并基于Neo4j图数据库对电网应急预案知识进行存储和可视化展示;最后,以某市大面积停电事件应急响应为例,分析电网应急预案知识图谱在实际案例中的有效性。研究结果表明:所构建电网应急预案知识图谱可对电网突发事故进行辅助决策,从而缩短应急决策时间,提高电网事故的应急处置效率。

关键词：电网应急预案知识图谱构建方法案例应用

多国规范平屋盖围护结构外表面设计风压对比研究

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建筑结构学报 2017年第3期38卷 127-133页

作者：邢佶慧李丹煜杨庆山田玉基北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学结构风工程与城市风环境北京市重点实验室北京100044

对比分析了中国GB 50009—2012、德国DIN 1055-4、美国ASCE/SEI 7-10、日本AIJ-2004、欧洲BS EN 1991-1-4:2005、加拿大NBC-2005、澳大利亚/新西兰AS/NZS 1170.2:2011、英国BS 6399-2:1997等规范中关于平屋盖围护结构外表面设计风压的有关规定。为便于比较,将各国规范风荷载标准值统一换算为外表面设计风压系数与基本风压乘积的形式。并且将外表面设计风压统一换算为与时距10min、重现期50 a的基本风速相对应的值。针对外表面设计风压相关因素,对风向、风压分区、面积折减、建筑尺寸等进行了对比研究。最后,结合平屋盖风洞试验,探讨了外表面设计风压的具体取值建议。研究表明:平屋盖围护结构外表面设计风压的确定,建议考虑360°全风向;对屋盖边缘应进行风压分区,角部也应进行单独的风压分区;屋盖表面不同位置建议采用不同的面积折减公式;针对不同高度或宽高比建筑给定不同的外表面设计风压建议取值。

关键词：围护结构平屋盖外表面设计风压系数风荷载

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防护林防风效应风洞模拟试验研究进展

中国农业大学学报 2023年第12期28卷 162-176页

作者：王京学王秀龙冀晓东李丹煜赵国烨孙禹枫北京林业大学水土保持学院北京100083 国家电网有限公司北京100031 中国电力科学研究院有限公司北京100192

林木几何形态特征复杂,且较为轻柔,在风荷载作用下会发生变形和振动,空气动力学效应复杂。针对如何通过风洞试验尽可能真实地模拟防护林在实际风场中的防风效应问题,通过梳理已有国内外相关文献,从模型设计、来流模拟和测试技术3个方面... 详细信息

林木几何形态特征复杂,且较为轻柔,在风荷载作用下会发生变形和振动,空气动力学效应复杂。针对如何通过风洞试验尽可能真实地模拟防护林在实际风场中的防风效应问题,通过梳理已有国内外相关文献,从模型设计、来流模拟和测试技术3个方面对灌木和乔木防护林防风效应风洞模拟试验的研究进展进行综述。结果表明:防护林风洞试验模型几何缩尺比的确定要综合考虑林木和风洞截面的尺寸,阻塞比一般应控制在5%以下;考虑到林木在风荷载作用下产生的变形和振动会进一步影响周围流场,模型设计时除了要考虑几何相似,还要加强对动力相似的考虑;在防护林风洞试验来流模拟及周围风速测定中,在平均风速的基础上,应加强对脉动风速统计特性的考虑;当采用天平测定林木气动力系数时,应结合林木风洞模型自身频率确定采样频率,避免2个频率过于接近造成结果失真。

关键词：防护林风洞试验相似条件模型设计来流模拟测试技术

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基于空间插值的工程岩体RQD预测方法

岩土力学 2015年第11期36卷 3329-3336页

作者：刘仰鹏贺少辉汪大海李丹煜北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

作为工程实际中评价岩体性质的重要指标,RQD的应用已相当广泛。但工程岩体中RQD值的分布存在一定的结构性和随机性,因此,通过对特定位置钻探获取的RQD值无法很到位地表达整个空间区域的实际岩石质量。为了弥补这方面的不足,统计学中的... 详细信息

作为工程实际中评价岩体性质的重要指标,RQD的应用已相当广泛。但工程岩体中RQD值的分布存在一定的结构性和随机性,因此,通过对特定位置钻探获取的RQD值无法很到位地表达整个空间区域的实际岩石质量。为了弥补这方面的不足,统计学中的空间插值法为此提供了有力的手段。考虑到空间RQD分布存在各向异性,以及在工程坐标系中很难描述RQD分布的结构性,首先计算工程坐标系下已获取RQD值的主要黑塞方向(p Hd);然后构建空间旋转与比例缩放矩阵对其进行坐标标准化处理。在标准化的空间中,引入Kriging插值法,采用变异函数描述RQD在标准空间结构上的变化,建立其空间变异规律的数学模型,并对其进行插值计算;最后将标准空间进行坐标逆变换,实现了对工程坐标系下RQD分布的预测。利用R语言编程将该方法应用于工程实例,结果表明,这种空间插值法能够有效地预测工程岩体中RQD值的分布规律,弥补了局部钻探的局限性。

关键词： RQD 主要黑塞矩阵 Kriging插值法变异函数 R语言

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脉动风作用下塔线体系的风致响应特性分析

山东科技大学学报（自然科学版） 2023年第5期42卷 58-67页

作者：朱岚康沙沐徐万海李丹煜朱晔崔力嘉兴恒创电力设计研究院有限公司浙江嘉兴314000 天津大学建筑工程学院天津300072 中国电力科学研究院有限公司北京100192

塔线体系是输电系统的基础,风载荷作为塔线体系所受的主要载荷,在风载荷下塔线体系的结构安全分析十分重要。考虑脉动风载荷的影响,采用Kaimal风谱与谐波叠加法,拟合确定了脉动风速,并考虑了风速沿高度的变化情况。基于ABAQUS有限元软件... 详细信息

塔线体系是输电系统的基础,风载荷作为塔线体系所受的主要载荷,在风载荷下塔线体系的结构安全分析十分重要。考虑脉动风载荷的影响,采用Kaimal风谱与谐波叠加法,拟合确定了脉动风速,并考虑了风速沿高度的变化情况。基于ABAQUS有限元软件,建立“四塔五线”的典型耐张段模型,分析不同风速、风向角对于塔线体系结构动力响应的影响机制。通过对杆塔塔头位移、杆塔底座支反力以及塔线体系的应力集中部位的分析得出:随着风速的增大,重力塔与张力塔在两个方向的塔头位移幅值增大;随着风向角的增大,张力塔在两个方向的塔头位移幅值增大;重力塔在垂直于塔线体系方向的位移幅值增大,沿塔线体系方向的位移幅值先增大后减小,在45°时达到最大幅值。杆塔的应力集中点基本位于杆塔的钢材集中处。

关键词：塔线体系脉动风风致响应有限元