一种机械结构振动敏感测点优选分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种机械结构振动敏感测点优选分析方法及系统，根据机械结构模态振型优化得到初始测点集；分析结构所受载荷位置，在各载荷位置依次施加单位正弦扫频载荷进行谐响应分析，获得初始测点关于激励位置的频响函数矩阵；分析机械结构所有激励力频率构造频率向量作为自变量，得到频响值向量，将每个频响值向量作为矩阵元素组成频响值矩阵；对同一列频响值向量加权，同一行频响值向量相加得到实部及虚部加权频响矩阵；基于实部及虚部加权频响矩阵计算得到模频响矩阵；分别求得模频响矩阵每一行元素和的均值，根据均值大小对初始测点进行敏感性排序对测点进行优选；适用于机械结构运行的传感器布局优化，为机械结构监测提供基础

【技术实现步骤摘要】
一种机械结构振动敏感测点优选分析方法及系统


[0001]本专利技术属于机械结构振动监测领域，具体涉及一种机械结构振动敏感测点优选分析方法及系统
。

技术介绍

[0002]随着大型复杂机械结构工程及制造技术的快速发展，航空发动机
、
汽车发动机
、
特种车辆齿轮箱等现代机械结构正在向多功能
、
大型化和复杂化的方向发展，但这也增加了机械结构健康管理及监测维护的难度
。
随着结构健康监测技术的发展，传感器在机械结构中的优化布局问题也日趋突出
。
[0003]为解决结构传感器优化布局问题，国内外许多学者专家提出了各种方法及解决方案
。
其中基于严密数学理论的最具代表性的传统方法有：有效独立法
、
模态动能法
、
模态矩阵
QR
分解法等
。
有效独立法是目前应用最广泛的传感器布置优化方法，它通过优化
Fisher
信息矩阵使被选择的模态向量尽可能保持线性无关
(KAMMER D C.Sensor placement for on
‑
orbit modal identification and correlation of large space structures[J].Journal of Guidance
，
Control
，
and Dynamics
，
1991,14(2):251
‑
259.)。
还有学者采用以上传统方法的不同组合以及与人工智能算法相结合的方式来进行传感器优化，这样可以兼顾模态独立性及抗噪性能，但这些方法都基于结构模态参数及振型，没有考虑结构系统运行时所受载荷激励不同对于传感器布局的影响
。
中国航发商用航空发动机有限责任公司的欧阳运芳等研究了基于有限元仿真的航空发动机振动传感器布局优化方法
(
欧阳运芳
,
何鹏
,
刘占生
.
基于有限元仿真的航空发动机振动传感器布局优化方法研究
[J].
汽轮机技术
,2018,60(05):359
‑
362.)
，提出了基于谐响应分析测点响应敏感性的方法，但该研究未考虑多个位置激励力频率成分及相位不同对测点敏感性的影响，并且在基于有限元仿真采用谐响应仿真时，对于不同受载形式激励力变化时需多次进行谐响应分析，计算效率低
。
[0004]因此，亟需一种可以保证振动监测传感器模态独立性及抗噪性，同时可以考虑不同受载形式下激励力参数影响的结构振动敏感测点分析方法
。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术公开一种机械结构振动敏感测点优选分析方法及系统，本专利技术研究的敏感测点分析方法考虑了各位置激励力参数不同对测点敏感性的影响，对于不同受载形式激励力变化时，仅需更改激励力加权系数向量，通过数值计算即可更新不同激励力下测点模频响矩阵并计算测点敏感性，避免了不同受载形式多次进行谐响应分析，从而提高了分析计算效率
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，包括以下步骤：
[0007]根据机械结构各阶模态参数及振型，基于有效独立法优化获取结构初始测点集；
[0008]根据机械结构典型受载形式的载荷参数得到所有载荷位置，基于机械结构的有限
元模型，在各载荷位置依次施加单位正弦扫频载荷进行谐响应仿真分析，获取初始测点集中各初始测点关于各载荷位置的频响函数曲线，并构造频响函数矩阵，频响函数矩阵各行对应各初始测点，各列对应各正弦扫频激励加载位置；
[0009]根据机械结构载荷参数得到机械结构所有激励力频率，并将频率从小到大排列构成频率向量，以所得频率向量为自变量，映射得到频响函数矩阵中每个频响函数曲线对应的频响值，构造频响值向量，将每个频响值向量作为矩阵元素组成频响值矩阵；
[0010]根据机械结构各载荷位置与频率向量对应的激励力大小及相位，计算各频率所对应激励力实部及虚部系数，构造各载荷位置激励力实部系数向量及激励力虚部系数向量；
[0011]根据所得各位置激励力实部系数向量及激励力虚部系数向量，分别对频响值矩阵中各载荷位置对应的每一列频响值向量计算哈达玛积，得到实部及虚部加权频响值向量；
[0012]将同一测点对应频响值矩阵同一行的实部加权频响值向量相加，同一测点对应频响值矩阵同一行的虚部加权频响值向量相加，得到各测点相对所有激励力加权的实部及虚部频响矩阵；
[0013]对所得各测点实部及虚部频响矩阵对应位置元素进行平方求和再开方，得到各测点相对所有激励力加权的模频响矩阵；
[0014]分别求得激励力加权的模频响矩阵每一行元素和的均值，即各初始测点关于所有载荷频率的幅值均值，进而根据均值大小对初始测点进行敏感性排序，基于排序结果筛选出所需数量的敏感测点，实现对机械结构振动敏感测点的分析及优选
。
[0015]进一步的，机械结构各阶模态参数及振型的获取包括：分析机械结构特征参数及约束情况，得到机械结构典型受载形式所受载荷参数；载荷参数包括机械结构各位置所受激励力大小，频率及相位；
[0016]根据所得机械结构特征参数及约束情况构建机械结构的有限元模型，根据机械结构约束情况设置边界条件后进行模态分析，获取机械结构各阶模态参数及振型
。
[0017]进一步的，所述机械结构特征参数包括：几何尺寸参数和材料特性参数；机械结构约束情况根据机械结构实际安装情况确定；机械结构典型受载形式的载荷参数包括机械结构各载荷位置所受典型激励大小
、
频率及相位，不同受载形式下机械结构所受载荷位置不变，各载荷位置所受激励大小，频率及相位会发生变化
。
[0018]进一步的，基于有效独立法获取结构初始测点集时，根据相应模态振型数据优化得到结构振动监测较优测点位置，得到初始测点集；
[0019]在各载荷位置依次施加单位正弦扫频载荷进行谐响应仿真分析时，扫频范围从零到所关注的最大频率
。
[0020]进一步的，获取初始测点集中各初始测点关于各载荷位置的频响函数矩阵包括：
[0021]设机械结构所受载荷
f1,f2,f3的位置分别在
i
＝
1,i
＝
2,i
＝3的自由度，初始测点位置分别在
i
＝
1,i
＝
2,i
＝
3,i
＝4的自由度，则由多自由度系统频响函数矩阵表示响应
x1,x2,x3,x4关于载荷
f1,f2,f3的振动激励响应关系表示为式
(1)
：
[0022本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，其特征在于，包括以下步骤：根据机械结构各阶模态参数及振型，基于有效独立法优化获取结构初始测点集；根据机械结构典型受载形式的载荷参数得到所有载荷位置，基于机械结构的有限元模型，在各载荷位置依次施加单位正弦扫频载荷进行谐响应仿真分析，获取初始测点集中各初始测点关于各载荷位置的频响函数曲线，并构造频响函数矩阵，频响函数矩阵各行对应各初始测点，各列对应各正弦扫频激励加载位置；根据机械结构载荷参数得到机械结构所有激励力频率，并将频率从小到大排列构成频率向量，以所得频率向量为自变量，映射得到频响函数矩阵中每个频响函数曲线对应的频响值，构造频响值向量，将每个频响值向量作为矩阵元素组成频响值矩阵；根据机械结构各载荷位置与频率向量对应的激励力大小及相位，计算各频率所对应激励力实部及虚部系数，构造各载荷位置激励力实部系数向量及激励力虚部系数向量；根据所得各位置激励力实部系数向量及激励力虚部系数向量，分别对频响值矩阵中各载荷位置对应的每一列频响值向量计算哈达玛积，得到实部及虚部加权频响值向量；将同一测点对应频响值矩阵同一行的实部加权频响值向量相加，同一测点对应频响值矩阵同一行的虚部加权频响值向量相加，得到各测点相对所有激励力加权的实部及虚部频响矩阵；对所得各测点实部及虚部频响矩阵对应位置元素进行平方求和再开方，得到各测点相对所有激励力加权的模频响矩阵；分别求得激励力加权的模频响矩阵每一行元素和的均值，即各初始测点关于所有载荷频率的幅值均值，进而根据均值大小对初始测点进行敏感性排序，基于排序结果筛选出所需数量的敏感测点，实现对机械结构振动敏感测点的分析及优选
。2.
根据权利要求1所述的一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，其特征在于，机械结构各阶模态参数及振型的获取包括：分析机械结构特征参数及约束情况，得到机械结构典型受载形式所受载荷参数；载荷参数包括机械结构各位置所受激励力大小，频率及相位；根据所得机械结构特征参数及约束情况构建机械结构的有限元模型，根据机械结构约束情况设置边界条件后进行模态分析，获取机械结构各阶模态参数及振型
。3.
根据权利要求2所述的一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，其特征在于，所述机械结构特征参数包括：几何尺寸参数和材料特性参数；机械结构约束情况根据机械结构实际安装情况确定；机械结构典型受载形式的载荷参数包括机械结构各载荷位置所受典型激励大小
、
频率及相位，不同受载形式下机械结构所受载荷位置不变，各载荷位置所受激励大小，频率及相位会发生变化
。4.
根据权利要求1所述的一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，其特征在于，基于有效独立法获取结构初始测点集时，根据相应模态振型数据优化得到结构振动监测较优测点位置，得到初始测点集；在各载荷位置依次施加单位正弦扫频载荷进行谐响应仿真分析时，扫频范围从零到所关注的最大频率
。5.
根据权利要求1所述的一种机械结构振动敏感测点优选分析方法，其特征在于，获取初始测点集中各初始测点关于各载荷位置的频响函数矩阵包括：设机械结构所受载荷
f1,f2,f3的位置分别在
i
＝
1,i
＝
2,i
＝3的自由度，初始测点位置
分别在
i
＝
1,i
＝
2,i
＝
3,i
＝4的自由度，则由多自由度系统频响函数矩阵表示响应
x1,x2,x3,x4关于载荷
f1,f2,f3的振动激励响应关系表示为式
(1)
：其中，
X
＝
(X
1 X
2 X
3 X4)
T
为各初始测点所在自由度响应幅值；
F
＝
(F
1 F
2 F3)
T
为机械结构各载荷位置自由度激励幅值；
H
即为机械结构各有初始测点关于各载荷位置的频响函数矩阵，是关于激励频率
ω
的函数矩阵；频响函数矩阵中的频响函数
H
ab
表示在在...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宏瑞，李昊諝，史江海，乔百杰，魏江，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：