一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法及系统，包括：确定传感器在轨道车辆关键部位的布设位置；采用序列法进行传感器逐步选择，直至传感器数目达到预设值；在关注区域的选定位置布置光纤光栅传感器；基于光纤光栅传感器提供的多点应变测量数据，采用基于模态叠加法和正则化方法的应力应变重构方法，反演被测区域的应力场分布。本发明专利技术实现了采用模态叠加法进行轨道车辆全场应力重构。采用模态叠加法进行轨道车辆全场应力重构。采用模态叠加法进行轨道车辆全场应力重构。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法及系统


[0001]本专利技术属于监测
，具体涉及一种轨道车辆关键部位全场 应力重构方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必 然构成在先技术。
[0003]轨道交通的运营趋于高速化、密集化，服役车辆不仅要承受疲劳 载荷和冲击载荷作用，还要承受温度、湿度和盐雾等严苛环境的考验， 这都对列车关键承载部位的安全性和可靠性提出了更高要求。
[0004]目前，轨道车辆运维已普遍采用“运用修+高级修”的等级修和 在线辅助监测的安全保障体系，但仍面临需要人工干预、效率低、配 件更换需求大、成本高等种种问题，尚不具备进行“状态修”的实施 条件。
[0005]为了实时准确地监测高速列车关键结构的损伤状态，快速评价其 对结构可靠性的影响，部分轨道交通从业人员提出借鉴航空航天领域 的结构健康管理理念，在现有监测技术的基础上，发展适用于轨道车 辆关键结构的状态评估、故障预测及辅助决策技术。“数字孪生”是 结构健康监测技术的重要基础，其含义是指充分利用物理模型、传感 器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率 的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的 全生命周期过程。然而，国内对“数字孪生”相关理论技术的系统研 究起步较晚，针对其在轨道交通行业应用的研究工作较为分散，尚未 形成完备的理论体系和技术体系，因此，无法实现对轨道车辆关键部 位全场应力重构，继而无法获得结构内部的应力状态。r/>
技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种轨道车辆关键部位全场应 力重构方法，本专利技术通过传感器采集到的结构表面应力(应变)数据， 通过重构方法得到完整结构的三向正应变以及三向剪应变的全场应 变信息。
[0007]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]第一方面，公开了一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，包 括：
[0009]确定传感器在轨道车辆关键部位的布设位置；
[0010]采用序列法进行传感器逐步选择，直至传感器数目达到预设值；
[0011]在关注区域的选定位置布置光纤光栅传感器；
[0012]基于光纤光栅传感器提供的多点应变测量数据，采用基于模态叠 加法和正则化方法的应力应变重构方法，反演被测区域的应力场分布。
[0013]作为进一步的技术方案，确定传感器在轨道车辆关键部位的布设 位置时，具体包括：
[0014]对轨道车辆结构的三维模型进行有限元网格划分，根据结构在车 辆中的固定形式确定外部约束条件；
[0015]计算有限元应变模态，模态数量应包含结构的整体振型和局部振 型，最后得到应变模态振型矩阵以及模态应变能；
[0016]基于贝叶斯系统辨识理论，以最小化模态坐标的信息熵为目标， 采用逐步累积法得到最优测点位置，测点的数量应不低于模态数量。
[0017]作为进一步的技术方案，最优测点位置之后，还包括：基于传感 器只能测量单向应变，结合结构三维模型，删除最优测点集中不便于 实际布置的测点，或者微调其位置以便后期布置。
[0018]作为进一步的技术方案，采用序列法进行传感器逐步选择，具体 步骤为：
[0019]步骤(1)计算构架应变模态和模态应变能，选取所有模态共同包 含的大应变能自由度，作为备选集；
[0020]步骤(2)依次从备选集中选取一个自由度，将其添加到传感器集 中，计算传感器集对应的模态坐标的信息熵，保留信息熵最小的自由 度，从备选集中删去该自由度；
[0021]步骤(3)重复步骤(2)，直至传感器数目达到预设值。
[0022]作为进一步的技术方案，在关注区域的选定位置布置光纤光栅传 感器：
[0023]在制造光纤光栅传感器之前，测量测点在结构上的三维坐标，以 确定光纤线缆的长度；
[0024]分别布设不受应变影响的光纤光栅温度传感器进行温度补偿。
[0025]作为进一步的技术方案，对于光纤光栅传感器提供的多点应变测 量数据，进行消除异常点和降噪处理，之后采用基于模态叠加法和正 则化方法的应力应变重构方法，反演被测区域的应力场分布。
[0026]作为进一步的技术方案，反演被测区域的应力场分布，具体过程 为：
[0027]通过光纤光栅传感器得到某个方向的实测应变数据d，这些测点 对应应变模态振型矩阵；
[0028]根据d和应传感器对应的变模态振型矩阵，采用正则化方法求得 模态坐标向量q；
[0029]基于模态坐标向量根据模态叠加法，得到结构全场应力表达： ε＝ψ
all
q，式中，ψ
all
为有限元模型所有节点的应变模态振型。
[0030]第二方面，公开了一种轨道车辆关键部位全场应力重构系统，包 括：
[0031]位置确定模块，被配置为：确定传感器在轨道车辆关键部位的布 设位置；
[0032]传感器选择模块，被配置为：采用序列法进行传感器逐步选择， 直至传感器数目达到预设值；
[0033]在关注区域的选定位置布置光纤光栅传感器；
[0034]全场应力重构模块，被配置为：基于光纤光栅传感器提供的多点 应变测量数据，采用基于模态叠加法和正则化方法的应力应变重构方 法，反演被测区域的应力场分布。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0036]本专利技术提出采用模态叠加法进行轨道车辆全场应力重构，即通过 合理的设计与布局，在轨道车辆关键部位布设单向光纤光栅传感器， 经过数据处理获得监测点的实测应力，对结构进行有限元模态计算， 根据应变模态振型及实测应力，重构出结构全场应力。由
于结构所有 方向的自由度均享有相同的模态坐标q，因此结合有限元计算得到的 所有自由度方向的模态振型，包括三个方向的正应力和三个方向的剪 应力，便可以重构结构全场应力。该方法的优点在于仅仅通过在结构 表面布置单向传感器，就可以得到结构内部的应力状态。
[0037]本专利技术提出的基于传感器优化配置的模态识别方法，基于贝叶斯 系统辨识理论，将归一化模态应变能之和的倒数作为预测误差协方差 矩阵的主对角元；非对角元由结合了测点距离和响应水平的指数相关 方程表示。以最小化信息熵为目标，采用逐步累积法得到最优测点位 置，它的优点在于当结构自由度数量较大的时候，也可以快速筛选出 最优的传感器位置，提高计算效率。
[0038]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下 面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
[0039]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较 佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0040]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步 理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对 本专利技术的不当限定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，其特征是，包括：确定传感器在轨道车辆关键部位的布设位置；采用序列法进行传感器逐步选择，直至传感器数目达到预设值；在关注区域的选定位置布置光纤光栅传感器；基于光纤光栅传感器提供的多点应变测量数据，采用基于模态叠加法和正则化方法的应力应变重构方法，反演被测区域的应力场分布。2.如权利要求1所述的一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，其特征是，确定传感器在轨道车辆关键部位的布设位置时，具体包括：对轨道车辆结构的三维模型进行有限元网格划分，确定外部约束条件；计算有限元应变模态，模态数量应包含结构的整体振型和局部振型，最后得到应变模态振型矩阵以及模态应变能；基于贝叶斯系统辨识理论，将归一化模态应变能之和的倒数作为预测误差协方差矩阵的主对角元；非对角元由结合了测点距离和响应水平的指数相关方程表示；以最小化信息熵为目标，采用逐步累积法得到最优测点位置，测点的数量应不低于模态数量。3.如权利要求2所述的一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，其特征是，最优测点位置之后，还包括：基于传感器只能测量单向应变，结合结构三维模型，删除最优测点集中不便于实际布置的测点，或者微调其位置以便后期布置。4.如权利要求1所述的一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，其特征是，采用序列法进行传感器逐步选择，具体步骤为：步骤(1)计算构架应变模态和模态应变能，选取所有模态共同包含的大应变能自由度，作为备选集；步骤(2)依次从备选集中选取一个自由度，将其添加到传感器集中，计算传感器集对应的模态坐标的信息熵，保留信息熵最小的自由度，从备选集中删去该自由度；步骤(3)重复步骤(2)，直至传感器数目达到预设值。5.如权利要求1所述的一种轨道车辆关键部位全场应力重构方法，其特征是，在关注区域的选定位置布置光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子璠，彭畅，鞠增业，马龙，王光君，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：