一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台及其实验方法技术

本发明专利技术公开了一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台及其实验方法，包括载荷输入子系统、测试与采集子系统和数据处理子系统；载荷输入子系统包括波形发生器、信号放大器和激振器；波形发生器用于对不同形式的载荷波形进行设定，且波形发生器中设定的信号经过信号放大器输入至激振器；测试与采集子系统包括加速度传感器、力传感器和数据采集仪，数据采集仪与加速度传感器和力传感器连接，力传感器安装在激振器的头部；数据处理子系统与数据采集仪连接，基于正则化方法对数据采集仪采集的数据进行载荷识别。该实验平台可自主设定载荷，通过正则化方法对各类载荷进行准确的识别，能够满足对于载荷识别的试验教学需求。满足对于载荷识别的试验教学需求。满足对于载荷识别的试验教学需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台及其实验方法


[0001]本专利技术涉及结构动态载荷识别
，尤其涉及一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台及其实验方法。

技术介绍

[0002]新工科建设具有反映时代特征、内涵新且丰富、多学科交融、多主体参与、涉及面广等特点。实验教学是高等教育实践教学的重要环节，在培养学生的实践、探索、科研、创新能力方面有着重要作用，是高校培养创新型人才不可缺少的重要途径。实验平台作为高校人才培养的关键载体，是新工科建设的重要抓手。
[0003]我国航空航天飞行器、各类工业装备、高速列车等重大机械装备呈现出大型化、复杂化的整体发展趋势，工作环境非常复杂，因此需要将结构健康监测技术应用到这些领域的运维保障中。其中载荷识别作为结构健康监测的一个重要内容，主要应用在工程上无法直接测量的工况。载荷识别涉及到结构动力学、信息科学、数学等多学科知识。但由于载荷识别是典型的反问题，各类识别方法仍在不断地发展当中，因此更多的集中在科研领域，尚未有成熟的平台应用到教学当中。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台及其实验方法，学生可以在该平台上自主设定载荷，通过正则化方法进行载荷的识别，且该实验平台针对各种类型的载荷都能够准确地识别出来，能够满足对于载荷识别的试验教学需求。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台，其特征在于：包括载荷输入子系统、测试与采集子系统和数据处理子系统；
[0007]所述载荷输入子系统包括波形发生器、信号放大器和激振器；所述波形发生器用于对不同形式的载荷波形进行设定，且所述波形发生器中设定的信号经过信号放大器输入至激振器；
[0008]所述测试与采集子系统包括加速度传感器、力传感器和数据采集仪，所述数据采集仪与所述加速度传感器和力传感器连接，所述力传感器安装在所述激振器的头部，所述加速度传感器安装在待测结构上与载荷加载点不同的位置处；
[0009]所述数据处理子系统与所述数据采集仪连接，基于正则化方法对所述数据采集仪采集的数据进行载荷识别。
[0010]进一步的，所述正则化方法对数据采集仪采集的数据进行载荷识别的具体方法包括以下步骤，
[0011]S1：建立载荷识别问题模型；
[0012]S2：采用滤波和截断奇异值分解的思想对载荷识别问题模型的解进行不适定性分
析，得到基于正则化处理后的载荷识别结果。
[0013]进一步的，步骤S1的具体操作包括以下步骤，
[0014]S101：建立动态载荷识别的关系；
[0015]S102：根据结构动力学理论，将结构的响应表示为第一类Fredholm积分方程的形式
[0016][0017]式中，y(x，t)是结构t时刻的系统响应，g(x，t)是结构系统算子函数，s(x，t)是未知x处的载荷；通过测点的响应y和已知结构系统响应算子g，来确定结构系统的输入载荷占；
[0018]S103：将步骤S102中的积分方程进行时域离散展开为Y＝GS
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]其中，
[0020][0021][0022]式中，Δt和N
t
分别是离散化的采样时间和采样点数；
[0023]S104：对步骤S103中时域离散展开的积分方程进行求解，得到输入载荷S，其中，S满足得到最小二乘解
[0024][0025]进一步的，步骤S2的具体操作包括以下步骤，
[0026]S201：由于响应的观测数据不可避免地带有误差或者噪音，将步骤S103中的方程(2)表示为
[0027]GS
true
+err＝Y
err
ꢀꢀꢀ
(4)
[0028]式中，S
true
是实际的输入载荷，err为扰动误差，Y
err
为测量到的响应数据；
[0029]S202：对G做奇异值分解，记为
[0030]G＝UDiag(σ
i
)V
T
ꢀꢀꢀ
(5)
[0031]其中，U＝(u1，u2，
…
，u
n
)，u
i
为G的左奇异向量；V＝(v1，v2，
…
，v
n
)，v
i
为G的右奇异向量，它们满足
[0032][0033]其中，δ
ij
为Kronecker函数，满足δ
ij
＝1，若i＝j，δ
ij
＝0，i≠j；σ
i
为为矩阵G的奇异值；
[0034]S203：设G的逆矩阵存在，利用上式(6)可以得到
[0035][0036]S204：对奇异值σ
i
的逆乘以一个滤波函数f
α
(σ
i
)，使得σ
→
0时，f
α
(σ
i
)/σ
→
0；若取滤波函数为
[0037][0038]则可得到
[0039][0040]式中，σ为矩阵G的奇异值变量，σ
i
为σ的具体值；α为正则化参数；S
α
为采用正则化方法得到的解，I为单位矩阵。
[0041]进一步的，一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台得实验方法，其特征在于，包括以下步骤，
[0042]步骤1：检查并确保各个实验设备处于正常工作状态，检查加速度传感器是否粘贴牢固；
[0043]步骤2：接通数据采集仪，准备记录载荷与加速度数据；
[0044]步骤3：对待测结构进行模态测试，使用有限元软件建立待测结构的有限元模型用于校核；
[0045]步骤4：接通波形发生器，在波形发生器中输入欲识别载荷的波形，将波形数据输入至信号放大器；
[0046]步骤5：接通信号放大器，将信号放大器的信号输入至激振器；
[0047]步骤6：检查测试与采集子系统保存的数据文件，确认无异常后关闭载荷输入子系统和测试与采集子系统的设备电源；
[0048]步骤7：计算整理实验数据，在数据处理子系统中进行载荷识别，并与力传感器记录结果进行对比，分析和讨论实验结果。
[0049]本专利技术的有益效果是：
[0050]本专利技术中用于结构动态载荷识别的教学实验平台有利于克服以往教学过程中存在的理论联系实际不足等问题，达到强化知识运用、贴近工程实践的目的。学生可以在该平台上自主设定载荷，并可通过正则化方法进行载荷的识别，加深了学生对结构健康监测系统的了解，掌握了结构动力学测试分析技术，激发了学生探索解决实际工程问题的兴趣。且该实验平台针对各种类型的载荷都能够准确地识别出来，能够满足对于载荷识别的试验教学需求。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台，其特征在于：包括载荷输入子系统、测试与采集子系统和数据处理子系统；所述载荷输入子系统包括波形发生器、信号放大器和激振器；所述波形发生器用于对不同形式的载荷波形进行设定，且所述波形发生器中设定的信号经过信号放大器输入至激振器；所述测试与采集子系统包括加速度传感器、力传感器和数据采集仪，所述数据采集仪与所述加速度传感器和力传感器连接，所述力传感器安装在所述激振器的头部，所述加速度传感器安装在待测结构上与载荷加载点不同的位置处；所述数据处理子系统与所述数据采集仪连接，基于正则化方法对所述数据采集仪采集的数据进行载荷识别。2.根据权利要求1所述的一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台，其特征在于，所述正则化方法对数据采集仪采集的数据进行载荷识别的具体方法包括以下步骤，S1：建立载荷识别问题模型；S2：采用滤波和截断奇异值分解的思想对载荷识别问题模型的解进行不适定性分析，得到基于正则化处理后的载荷识别结果。3.根据权利要求2所述的一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台，其特征在于，步骤S1的具体操作包括以下步骤，S101：建立动态载荷识别的关系；S102：根据结构动力学理论，将结构的响应表示为第一类Fredholm积分方程的形式式中，y(x，t)是结构t时刻的系统响应，g(x，t)是结构系统算子函数，s(x，t)是未知x处的载荷；通过测点的响应y和已知结构系统响应算子g，来确定结构系统的输入载荷s；S103：将步骤S102中的积分方程进行时域离散展开为Y＝GS
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(2)其中，其中，式中，Δt和N
t
分别是离散化的采样时间和采样点数；S104：对步骤S103中时域离散展开的积分方程进行求解，得到输入载荷S，其中，S满足得到最小二乘解
4.根据权利要求3所述的一种用于结构动态载荷识别的教学实验平台，其特征在于，步骤S2的具体操作包括以下步骤，S201：由于响应的观测数据不可避免地带有误差或者噪音，将步骤S103中的方程(2)表示为GS
true
+err＝Y
err
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，S
true
是实际的输入载荷，...

【专利技术属性】
技术研发人员：常晓通，朱江辉，林华刚，王路云，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：