一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，该方法利用结构在低频状态下呈现静态特性，通过实测数据与基于实测数据构造的挠度数据之差的基础上，采用曲线转角指标来进行刚度薄弱环节的评估。该方法基于动力学测试的振动实验数据，需要获取每个测点的低频下的响应数据和系统在各阶模态下的模态参数。然后，提出利用现代控制理论中的状态空间方法进行系统重构来消除在测试过程中的噪声干扰以及获取系统低频信号使得在工程应用成为可能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法
本专利技术提供了一种基于振动测试数据，利用曲线转角这一新指标来评估悬臂梁结构刚度薄弱环节的新方法，属于机械振动测试领域。
技术介绍
悬臂梁结构作为常用的结构形式存在各种应用场合，如飞机的固定机翼、航天器的太阳能帆板、机床的主轴部分等。由于各种生产加工中不利因素的影响以及在使用过程中的产生的损伤，悬臂梁结构不可避免的出现刚度不均和下降的情况，一些刚度薄弱的部位将导致结构无法正常的使用，甚至造成重大的经济损失。因此，对悬臂梁结构进行刚度薄弱环节识别成为亟待研究解决的一个重要问题。在现有的各种识别技术方法中，采用最广泛的方法是利用结构动态测试的模态分析，模态参数中的固有频率、模态振型和曲率模态等可以作为衡量刚度变化的指标。在应用过程中，国内外许多专家和学者对桥梁的结构损伤识别进行过大量的研究，但究其本质是损伤会引起刚度的变化，刚度变换将导致模态参数发生变化。基于频率变化的识别主要是损伤前后结构的固有频率会发生变化，以此为依据来判断结构局部刚度是否发生变化。学者Hearn和Agbabian通过结构固有频率变化平方比对结构损伤的定位进行研究,Zhaojun等探究频率对损伤的灵敏度，然而，固有频率是对整体动态特性的表征，即使能判断结构发生了刚度变换，但无法实现对局部损伤的定位功能。基于振型的损伤识别方法通过分析前后的振型变化情况来识别结构损伤，万小朋等对振型变化前后研究悬臂梁损伤的灵敏度和损伤位置检测，结果表明振型对局部损伤的位置和程度不敏感。利用曲率模态进行损伤识别，实质上是对各阶振型数据进行二次中心差分法运算求振型导数，局部损伤可以通过曲率变化显示出来。大量研究表明，曲率模态比固有频率和振型对结构局部损伤更为敏感。学者李德葆研究了曲率模态理论，刘义伦等通过曲率模态对桥梁进行损伤识别，研究表明，曲率模态损伤识别效果良好，但没有对损伤程度进行量化。最近国内外学者进一步提出模态柔度差、模态柔度改变率等损伤指标，曹晖等提出了模态柔度曲率差这一新指标，可以量化损伤程度，但并没解决噪声对识别结果的问题。董聪提出应变类结构动力学参数(应变、应变模态)损伤指标，由于实际结构测试和仪器精度的局限，应变测试难以实现，因此学者只在理论上探讨或者数值仿真上。综上所述，利用固有频率进行损伤识别时，无法定位。振型变化法需要知道未损失前的模态参数信息曲率模态识别法可以有效定位，但无法对损伤程度进行量化，虽然模态柔度曲率差可以实现定位和量化的功能，但没有讨论噪音的影响以及实验验证。应变类参数损伤指标不能很好的进行工程实用。所以，提出一种能够通过简单的分析实验数据并且能够抗噪音干扰的方法就能够将刚度薄弱环节的位置辨识出来并且量化刚度的大小情况是问题的核心，也是本专利的核心。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用测试数据的曲线转角的新指标来评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，该方法利用悬臂梁在低频状态下呈现静态特性，通过实测数据与基于实测数据构造的挠度数据之差的基础上，采用曲线转角指标来进行刚度薄弱环节的评估。该方法基于动力学测试的振动实验数据，需要获取每个测点的低频下的响应数据和系统在各阶模态下的模态参数。然后，提出利用现代控制理论中的状态空间方法进行系统重构来消除在测试过程中的噪声干扰以及获取系统低频信号使得在工程应用成为可能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，该方法基于动力学测试的振动实验数据，先通过动力学测试实验获得结构系统的模态参数，通过模态参数重构结构系统的状态空间方程，最后利用构建的状态空间方程获得仿真时域数据，然后通过快速傅里叶变换法，获得结构系统的低频数据，最后利用曲线转角指标识别刚度薄弱环节的位置以及量化刚度的相对大小。具体的实现方法如下：步骤一通过测试实验数据获得被测对象的模态参数选取激励设备(如力锤)，拾振设备(如加速度传感器)和信号采集设备对被测对象进行模态测试。在获得测试数据之后，通过辨识算法获得被测对象即悬臂梁的各阶模态参数，具体算法的类型，本方法不做要求，能够准确获取参数作为优先选择，至少获取悬臂梁前三阶的模态参数。步骤二利用模态参数，采用状态空间理论重构系统数学模型，获取动力学数据从而可以获取悬臂梁低频数据(0Hz)以及避免噪声的干扰。S2.1系统振动的微分方程以悬臂梁的轴线所在位置的固定端为原点，轴线为横轴建立坐标系。对于第i阶模态来说，每个模态直接是相互独立，振动方程满足：其中：ζi为第i阶阻尼比，wi为第i阶固有频率，Fi为第i阶模态下模态力,zi第i阶模态下的模态振动位移,第i阶模态下的模态振动速度，第i阶模态下的模态振动加速度。S2.2系统的状态变量悬臂梁振动系统的状态变量如下：xi1为第i阶模态下的振动模态位移xi1＝zi,xi2为第i阶模态下的模态振动速度悬臂梁振动系统的状态变量：X＝[x11x12x21x22……xi1xi2](2)S2.3系统的输入变量悬臂梁振动系统的外界输入变量为作用于梁自由端的脉冲激励,在各个模态下，系统的输入变量与激励施加的位置有关其中是第i阶振型,q为输入信号位置处的振型数据。S2.4系统的输出变量输出的变量由悬臂梁的研究目标决定,因此，选定系统的输出变量为位移Y＝[x1x2x3……xj](4)其中：其中：是第i阶振型的第j个元素，xj为第j个测点的位移。根据式(1)～式(4)所描述的悬臂梁振动系统的微分方程式,并根据设立的悬臂梁振动系统输入变量、状态变量、输出变量,建立的悬臂梁振动系统的状态空间方程的标准形式：Y＝CX+DU(6)式(5)～式(6),X为系统的状态空间向量；Y为系统的输出变量列阵；U为系统的输入变量列阵；A、B为状态空间方程的系数矩阵；C、D输出方程的系数矩阵。步骤三利用状态空间的仿真数据，利用曲线转角指标进行位置辨识和刚度评估用MATLAB中的SIMULINK模块先对重构系统的数学模型进行动力学仿真，获取每个测点的时域信号，然后对时域信号进行频域变换，取每个测点的低频信号(取0HZ)数据。悬臂梁动态测试通过布置在悬臂梁各个等间距测点的传感器，第一个传感器靠近固定端，获取测点处的振动信息。通过快速傅里叶变换处理时域信号后，可获得每个频率下，每个测点的振动幅值。悬臂梁在自由端施力下的静力变形公式:其中，V为梁的挠度矩阵，L为梁长，a为距离固定端部的距离矩阵，P为施加的静力载荷，E为弹性模量，I为相对于梁振动方向的横截面惯性矩。在动态测试时的锤击激励下，锤击力在一个频率下的具体数值无法准确得知，但在一个频率下，锤击力可视为定值。选取靠近固定端位置的第一个测点为标准点，根据第一个测点的数据y1可以计算一个低频信号下的A值，记作A1,A1＝y1/(a1(3L-a1))(8)以A1作为新的挠度方程的系数，根据其他各个测点位置坐标构造挠度曲线，可以得到构造的挠度数据矩阵元素，即：其中，Vs(j)是构造挠度数据中第j个测点的数据，aj是距离原点的距离用vsj表示构造的挠度Vs(j)中的元素，即Vs＝[vs1vs2vs3……vsj](10)vsj表示第j个测点构造的数据取0Hz处的实际测试数据用Vm矩阵表示,用vmj表示Vm中的元素:Vm＝[vm1vm2……v本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，其特征在于：该方法基于动力学测试的振动实验数据，先通过动力学测试实验获得结构系统的模态参数，通过模态参数重构结构系统的状态空间方程，最后利用构建的状态空间方程获得仿真时域数据，然后通过快速傅里叶变换法，获得结构系统的低频数据，最后利用曲线转角指标识别刚度薄弱环节的位置以及量化刚度的相对大小；具体的实现方法如下：步骤一 通过测试实验数据获得被测对象的模态参数；选取激励设备，拾振设备和信号采集设备对被测对象进行模态测试；在获得测试数据之后，通过辨识算法获得被测对象即悬臂梁的各阶模态参数，并至少获取悬臂梁前三阶的模态参数；步骤二 利用模态参数，采用状态空间理论重构系统数学模型，获取动力学数据从而获取悬臂梁低频数据即0Hz以及避免噪声的干扰；步骤三 利用状态空间的仿真数据，利用曲线转角指标进行位置辨识和刚度评估。

【技术特征摘要】
1.一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，其特征在于：该方法基于动力学测试的振动实验数据，先通过动力学测试实验获得结构系统的模态参数，通过模态参数重构结构系统的状态空间方程，最后利用构建的状态空间方程获得仿真时域数据，然后通过快速傅里叶变换法，获得结构系统的低频数据，最后利用曲线转角指标识别刚度薄弱环节的位置以及量化刚度的相对大小；具体的实现方法如下：步骤一通过测试实验数据获得被测对象的模态参数；选取激励设备，拾振设备和信号采集设备对被测对象进行模态测试；在获得测试数据之后，通过辨识算法获得被测对象即悬臂梁的各阶模态参数，并至少获取悬臂梁前三阶的模态参数；步骤二利用模态参数，采用状态空间理论重构系统数学模型，获取动力学数据从而获取悬臂梁低频数据即0Hz以及避免噪声的干扰；步骤三利用状态空间的仿真数据，利用曲线转角指标进行位置辨识和刚度评估。2.根据权利要求1所述的一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，其特征在于：所述步骤二的实施过程包括如下步骤：S2.1系统振动的微分方程；以悬臂梁的轴线所在位置的固定端为原点，轴线为横轴建立坐标系；对于第i阶模态来说，每个模态直接是相互独立，振动方程满足：其中：ζi为第i阶阻尼比，wi为第i阶固有频率，Fi为第i阶模态下模态力，zi第i阶模态下的模态振动位移，第i阶模态下的模态振动速度，第i阶模态下的模态振动加速度；S2.2系统的状态变量；悬臂梁振动系统的状态变量如下：xi1为第i阶模态下的振动模态位移xi1＝zi，xi2为第i阶模态下的模态振动速度悬臂梁振动系统的状态变量：X＝[x11x12x21x22……xi1xi2](2)S2.3系统的输入变量；悬臂梁振动系统的外界输入变量为作用于梁自由端的脉冲激励，在各个模态下，悬臂梁振动系统的输入变量与激励施加的位置有关：其中是第i阶振型，q为输入信号位置处的振型数据；S2.4系统的输出变量；输出的变量由悬臂梁的研究目标决定，因此，选定系统的输出变量为位移Y＝[x1x2x3......xj](4)其中：其中：是第i阶振型的第j个元素，xj为第j个测点的位移；根据式(1)～式(4)所描述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡力钢，曹进选，郭铁能，白春生，王一杰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11