【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，属于桥梁健康检测领域。
技术介绍
1、随着我国高速公路与高速铁路网的逐步扩展与延伸，我国的桥梁工程事业也取得了突飞猛进，桥梁总数呈明显增大趋势。这些桥梁在极大方便了人民出行便利的同时也极大的带动了经济社会的高速发展，据统计截止2020年末，我国公路桥梁数量达87.33万座，其中中小跨度桥梁占比达90%以上。许多杰出的桥梁工程，如港珠澳大桥、平潭海峡大桥等已然成为了我国科技实力与经济腾飞的集中体现。另外，桥梁作为交通运输网中的节点工程，其健康状态直接影响着人流、物流的运输效率。随时了解并维持其健康状态是桥梁管理部门的职责所在。然而，因受自身材料老化和外部环境等多重因素影响，桥梁服役性能受到较大程度影响。近些年，因为桥梁服役性能的退化导致桥梁垮塌事故也是屡见不鲜。不完全统计2007~2012年间，我国就有近37座桥梁垮塌，平均每年超过7.4座“夺命桥”，即平均不到两个月就会有一起事故发生，每起事故都给人民的生命财产带来了极大的影响。
2、我国经过30多年大规模的基础设施建设，步入维修期的桥梁数量日益增多。随着人流、物流流动速度的加快，桥梁的维修期也将逐步提前。尽管逐年加大对危桥的升级与改造，但是危桥所占有比例依然是居高不下，尤以农村公路为代表。因此，如何及时有效的评估在役中、小梁式桥梁的健康状态引起了桥梁管理部门与研究人员极大的重视。采用传统直接测量法如人工巡检、目测或安装健康监测系统俨然无法满足占比如此之大的中小跨度桥梁的快速巡检，如何达到这一目的也成为了亟待
3、目前桥梁健康监测主要采取直接测量法，该法是在待测桥梁上安装大量传感器，通过实测数据来评估其健康状态。因存在安装、维护成本高，海量数据且处理效率低等不足，使得直接测量法仅在重、特大跨桥梁上采用。而对于数量庞大的中、小跨度桥梁，直接测量法显得“心有余而力不足”。为解决以上不足，基于车辆动态响应的间接测量法（后续也称：车辆扫描法）应运而生。该法基于车桥耦合振动理论，将传感器布置于移动车辆上，测量时只需将检测车运行于待测桥梁上，并记录当前车辆的响应数据，通过数据分析，提取桥梁模态参数信息（如频率、模态、阻尼等），再利用这些信息评估桥梁的健康状态。显然，车辆扫描法存在成本低、效率高、机动性强等明显优势。因此，车辆扫描法自2004年提出起即受到广泛关注，已成功应用于桥梁的频率、模态、阻尼、损伤识别中，其精度与准确性也通过了实测验证。为获得移动车辆下薄壁箱梁的闭合解，既有研究成果普遍将车辆视为单轴车，动力学模型也大多为单自由度或双自由度模型。显然既有理论与实际的车辆还不完全匹配，因为实际的车辆大多为双轴车辆，且为空间的动力学模型。在车辆扫描法既有理论中，还未见多自由度空间车辆下薄壁箱梁动力响应的闭合解，关于空间车辆模型下接触点响应反演算法也未曾报道。尽管有关于铁路多自由度车辆接触点响应的反演算法，但是铁路车辆模型与公路车辆模型存在很多本质的差异，如铁路车辆包含有一系和二系悬挂系统，除了包含车体之外，还包含前、后转向架。同时，铁路中的轮轨接触点多为高频振动，而公路车辆的轮胎接触确实低频振动，使得两者数值计算时也存在较大的不同。值得一提的是，既有的铁路多自由度车辆模型也仅考虑了竖向（平面内）振动，忽略了车体和转向架的空间（平面外）振动。为此，本申请提出了一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，该方法中将车辆视为两轮轴的空间力学模型，且考虑车体的竖向、点头和摇头自由度。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，以弥补车辆扫描法既有理论的不足。
2、为解决上述问题，拟采用这样一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，具体步骤如下：
3、步骤一，基于两轮轴车辆的空间力学模型，对桥梁使用车辆扫描法，考虑车体的竖向、点头、摇头以及四个车轮共七个自由度，构建移动空间车辆模型下车桥耦合力学的动力学方程；
4、步骤二，推导多自由度接触点和薄壁箱梁响应的闭合解；
5、步骤三，通过接触点响应识别薄壁箱梁频率。
6、上述方法中，采用节点分配法将求解多自由度接触点响应的问题转化为求解四个单自由度接触点响应问题，首先将车体竖向，摇头和点头位移按照车辆几何特征进行响应的分配，分配至轮胎与车体四个对应连接位置，以四个轮胎为刚体建立对应动力学方程，再转化为四个接触点动力学方程，最后，得出求解接触点加速度响应的递推表达式。
7、上述方法中，车体考虑竖向，点头和侧滚三个自由度；四个车轮包含四个自由度，即 (i=1-4)，共七个自由度，采用节点分配法求解多自由度接触点响应，将车体竖向，摇头和点头位移进行响应分配至轮胎与车体四个对应连接位置，其对应响应可表示为
8、(45)；
9、其中、和分别表示车体竖向，摇头和点头响应分配的形函数矩阵，为分配点处位移矩阵，具体表示为
10、，，，(46a~d)；
11、随后，由分配点向四个轮胎传递的力可表示为
12、(47a)；
13、(47b)；
14、(47c)；
15、(47d)；
16、最后，以四个轮胎为刚体建立对应动力学方程
17、(48a)；
18、(48b)；
19、(48c)；
20、(48d)；
21、由上式，将其转化为四个接触点动力学方程
22、(49a)；
23、(49b)；
24、(49c)；
25、(49d)；
26、为说明接触点响应的求解过程，以第一车轮接触点响应为例推导其求解过程，首先对式求二阶导数可得：
27、(50)；
28、式中，，分别表示第一个车轮位移响应的四阶、三阶和二阶响应，四阶响应可通过对实测加速度响应进行二阶差分得到，而三阶响应则主要通过对加速度响应进行一阶差分得到；
29、上式两边除以，并乘以，可得
30、(51)；
31、上式进一步化简为
32、(52)；
33、上式在[0 t]范围内积分，可得：
34、(53)；
35、对于时刻
36、(54)；
37、化简为：
38、(55)；
39、最后通过数值积分，可得
40、(56)；
41、显然，上式给出了求解接触点加速度响应的递推表达式。
42、步骤三中，薄壁箱梁频率为薄壁箱梁的弯扭耦合频率和竖向弯曲频率；
43、本专利技术还包括数值验证步骤，采用有限元方法进行验证，薄壁箱梁用空间梁单元模拟，空间梁单元中每个节点包含有7个自由度，薄壁箱梁为简支边界条件，选取前30阶桥梁模态进行理论分析，基于桥梁和车辆属性，计算得到桥梁的竖向弯曲频率和弯扭耦合频率，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于：车体考虑竖向，点头和侧滚三个自由度；四个车轮包含四个自由度，即 (i=1-4)，共七个自由度，采用节点分配法求解多自由度接触点响应，将车体竖向，摇头和点头位移进行响应分配至轮胎与车体四个对应连接位置，其对应响应可表示为
3.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于：步骤三中，薄壁箱梁频率为薄壁箱梁的弯扭耦合频率和竖向弯曲频率。
4.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，还包括数值验证步骤，采用有限元方法进行验证，薄壁箱梁用空间梁单元模拟，空间梁单元中每个节点包含有7个自由度，薄壁箱梁为简支边界条件，选取前30阶桥梁模态进行理论分析，基于桥梁和车辆属性，计算得到桥梁的竖向弯曲频率和弯扭耦合频率，通过与有限元法求解结果的比较，验证闭合解和桥梁频率识别的可靠性。
5.根据权利要求4所述一种基于空间车辆动力响应的薄
6.根据权利要求4所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，数值验证包括：对比桥跨中竖向、横向和扭转运动的理论解和有限元结果得到的加速度响应的吻合情况。
7.根据权利要求4所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，数值验证包括：比较通过理论解和有限元求得的轮胎接触点响应的FFT频谱，验证吻合情况。
...【技术特征摘要】
1.一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于：车体考虑竖向，点头和侧滚三个自由度；四个车轮包含四个自由度，即 (i=1-4)，共七个自由度，采用节点分配法求解多自由度接触点响应，将车体竖向，摇头和点头位移进行响应分配至轮胎与车体四个对应连接位置，其对应响应可表示为
3.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于：步骤三中，薄壁箱梁频率为薄壁箱梁的弯扭耦合频率和竖向弯曲频率。
4.根据权利要求1所述一种基于空间车辆动力响应的薄壁梁频率识别方法，其特征在于，还包括数值验证步骤，采用有限元方法进行验证，薄壁箱梁用空间梁单元模拟，空间梁单元中每个节点包含有7个自由度，薄壁箱梁为简支边界条件，...
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