CN103195111B - 运动梁结构基础约束状态监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种运动梁结构基础约束状态监测方法及系统，属于基础状态监测方法及系统。方法：对梁结构进行有限元建模，通过参数设置改变模型中的约束条件，对固有特性求解；将不同约束条件下得到的结果输入到计算机，经计算机分析处理建立固有特性与约束条件之间的数据库；检测梁结构运动过程中的振动信号，得到梁结构运动过程中的固有特性；求解得到梁结构运动过程中的基础约束状态。系统：数据库模块和测试分析模块，数据库模块包括有限元建模子模块和固有特性求解子模块，测试分析模块包括传感器、电荷放大器、A/D转换器及动态测试分析系统。优点：实时准确监测处于运动状态的梁结构的基础约束状态，能够进行精确动力学建模、结构优化设计和振动控制。

Description

运动梁结构基础约束状态监测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基础状态监测方法及系统，特别是一种运动梁结构基础约束状态监测方法及系统。
背景技术
在对结构进行静力特性分析时，通常将基础看作完全刚性的约束，可以得到较为精确的结果；而在动力特性分析时，由于基础与结构间的耦合作用，基础本身的弹性会对分析结果产生一定的影响。因此，在进行结构的动力特性分析时，应充分考虑基础的弹性约束作用。另外，基础约束刚度或承载能力是结构设计的重要指标，同时，基础的约束状态也是进行故障诊断的主要内容，为了了解结构的技术状态及变化，需对基础的约束刚度进行监测。
随着结构动态试验分析技术的发展，通过试验可以较容易地测量得到结构固有频率的变化。因此，根据结构固有频率的变化来判断基础约束刚度的变化及结构损伤位置是一种有效的方法。现有的监测方法，多是针对高耸建筑、桥梁等大型的处于静止状态下的结构，而工程中有很多结构是处于运动状态的，其约束状态将不同于一般的静止结构。研究发现，动力系统在运动的过程中，会产生诸如结构约束松驰、内部裂纹等变异现象，结构动态参数的变化会引起动态响应的变化。因此，对于运动结构的基础约束状态的监测以及动态特性分析时的精确建模，应充分考虑运动的影响。基础处于移动状态下的运动梁结构在工程实际以及科研领域都有着广泛的应用，而现有的主要应用于基础固定的结构的监测方法，分析过程中没有充分考虑运动速度的影响，不能满足运动情况下梁结构基础约束状态的实时监测要求，从而无法达到高精度监测及动态特性分析。
发明内容
针对已有技术存在的问题，本发明提供一种运动梁结构基础约束状态监测方法及系统，解决现有监测方法不能满足运动情况下梁结构基础约束状态的实时监测要求，不能达到高精度监测及动态特性分析的问题。
技术方案：本发明的目的是这样实现的，一种运动梁结构基础约束状态监测方法，包括以下步骤：
（1）对梁结构进行有限元建模，通过参数设置改变模型中的约束条件，然后进行固有特性求解；将不同约束条件下通过固有特性求解得到的结果输入到计算机，经计算机分析处理建立固有特性与约束条件之间的数据库；
（2）检测梁结构运动过程中的振动信号，经计算机分析处理得到梁结构运动过程中的固有特性；
（3）根据固有特性与约束条件之间的数据库，求解得到梁结构运动过程中的基础约束状态。
所述的梁结构处于运动状态。
所述的固有特性求解得到的是模态频率。
所述的有限元建模中的约束条件以及监测的约束状态用刚度系数来表征。
所述的方法可实时显示梁结构的约束状态与运动速度之间的关系，以便进行实时监测。
本发明实现上述方法的运动梁结构基础约束状态监测系统，包括数据库模块和测试分析模块，数据库模块包括有限元建模子模块和固有特性求解子模块，有限元建模子模块通过固有特性求解子模块将计算结果输入给计算机；测试分析模块包括传感器、电荷放大器、A/D转换器及动态测试分析系统；传感器粘贴在梁结构上，传感器的信号输出端与电荷放大器的信号输入端相连，电荷放大器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的信号输出端与动态测试分析系统的信号输入端相连，动态测试分析系统的输出端与计算机相连；梁结构通过固定支架固定在移动平台上，控制器的一端与移动平台连接，控制器的另一端与计算机连接。
有益效果：本发明的运动梁结构基础约束状态监测方法及系统，通过对梁结构进行有限元建模及固有特性求解，建立固有特性与约束条件之间的数据库；梁结构的运动速度通过控制器反馈给计算机，根据梁结构运动过程中的振动信号，经计算机分析处理得到梁结构运动过程中的固有特性；结合固有特性与约束条件之间的数据库，可实时显示梁结构运动过程中的基础约束状态，分析运动速度对约束状态的影响，进行实时监测。解决现有监测方法不能满足运动情况下梁结构基础约束状态的实时监测要求，不能达到高精度监测及动态特性分析的问题。
优点：该监测方法及系统充分考虑了速度因素，能够实时准确监测基础的约束状态，通过分析运动速度对约束状态的影响，掌握相关规律，适用于处于运动状态的梁结构的实时监测以及动态特性分析中考虑速度影响时的精确动力学建模、结构优化设计和振动控制。
附图说明
图1为本发明的监测系统的组成框图。
图2为本发明的实施例的系统框图。
图3为本发明的实施例的求解约束刚度与运动速度关系的流程图。
图中：1、数据库模块；1-1、有限元建模子模块；1-2、固有特性求解子模块；2、测试分析模块；2-1、传感器；2-2、电荷放大器；2-3、A/D转换器；2-4、动态测试分析系统；3、计算机；4、控制器；5、梁结构；6、螺栓；7、固定支架；8、位移平台。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：图1所示，本发明的运动梁结构基础约束状态监测系统，包括数据库模块1和测试分析模块2，数据库模块1包括有限元建模子模块1-1和固有特性求解子模块1-2，有限元建模子模块1-1通过固有特性求解子模块1-2将计算结果输入给计算机3；测试分析模块2包括传感器2-1、电荷放大器2-2、A/D转换器2-3及动态测试分析系统2-4；传感器2-1粘贴在梁结构5上，传感器2-1的信号输出端与电荷放大器2-2的信号输入端相连，电荷放大器2-2的信号输出端与A/D转换器2-3的信号输入端相连，A/D转换器2-3的信号输出端与动态测试分析系统2-4的信号输入端相连，动态测试分析系统2-4的输出端与计算机3相连；梁结构5通过螺栓6和固定支架7连接在移动平台8上，控制器4的一端与移动平台8连接，控制器4的另一端与计算机3连接。
本发明的运动梁结构基础约束状态监测方法：
（1）对梁结构5进行有限元建模，通过参数设置改变模型中的约束条件，然后进行固有特性求解；将不同约束条件下通过固有特性求解得到的结果输入到计算机3，经计算机3分析处理建立固有特性与约束条件之间的数据库；
（2）检测梁结构运动过程中的振动信号，经计算机3分析处理得到梁结构5运动过程中的固有特性；
（3）根据固有特性与约束条件之间的数据库，求解得到梁结构5运动过程中的基础约束状态。
所述的梁结构处于运动状态。
所述的固有特性求解得到的是模态频率。
所述的有限元建模中的约束条件以及监测的约束状态用刚度系数来表征。
所述的方法可实时显示梁结构的约束状态与运动速度之间的关系，以便进行实时监测。
具体的，首先对梁结构进行有限元建模，通过参数设置改变模型中的刚度系数，进行固有特性求解，将不同刚度系数下通过固有特性求解得到的各阶模态频率结果输入到计算机3，经计算机3分析处理建立模态频率与约束刚度之间的数据库。
在图2中，将固定支架7固定在位移平台8上，梁结构5通过螺栓6固定在固定支架7上，在梁结构5上粘贴传感器2-1，所述的梁结构5为柔性梁；通过计算机3设定移动速度值，与计算机3相连的控制器4将设定的速度量转换为电压信号驱动位移平台8运动，固定在位移平台8上的固定支架7随位移平台8一起移动，从而带动柔性梁运动，梁结构5的运动速度通过控制器4反馈给计算机3进行分析处理；传感器2-1检测柔性梁运动过程中的振动信号并输入给电荷放大器2-2，电荷放大器2-2对振动信号进行放大滤波并输入给A/D转换器2-3，A/D转换器2-3将模拟信号转换成数字信号并输入给动态测试分析系统2-4，动态测试分析系统2-4与计算机3进行通讯，由计算机3分析得到柔性梁运动过程中的各阶模态频率；位移平台8的运动速度通过控制器4反馈给计算机3进行分析处理。
图3所示，根据测试分析模块2计算得到的柔性梁运动过程中的各阶模态频率和建立的模态频率与约束刚度之间的数据库，求解得到梁结构5运动过程中的约束刚度；结合控制器4反馈的柔性梁5的运动速度，实时显示梁结构5的约束刚度与运动速度之间的关系曲线，从而进行实时监测，同时可以分析速度对刚度的影响及变化规律。
所述的位移平台8选用MOTEC平台；所述的传感器2-1选用压电薄膜传感器；所述的电荷放大器2-2型号为YE5850；所述的动态测试分析系统2-4型号为DH5922。

Claims (2)

1.一种运动梁结构基础约束状态监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对梁结构(5)进行有限元建模，通过参数设置改变模型中的约束条件，然后进行固有特性求解；将不同约束条件下通过固有特性求解得到的结果输入到计算机(3)，经计算机(3)分析处理建立固有特性与约束条件之间的数据库；
（2）检测梁结构(5)运动过程中的振动信号，经计算机(3)分析处理得到梁结构(5)运动过程中的固有特性；
（3）根据固有特性与约束条件之间的数据库，求解得到梁结构(5)运动过程中的基础约束状态；
所述的梁结构处于运动状态；
所述的固有特性求解得到的是模态频率；
所述的有限元建模中的约束条件以及监测的约束状态用刚度系数来表征；
所述的方法可实时显示梁结构(5)的约束状态与运动速度之间的关系，以便进行实时监测。
2.一种实现权利要求1所述的运动梁结构基础约束状态监测方法的系统，其特征在于：系统包括数据库模块(1)和测试分析模块(2)，数据库模块(1)包括有限元建模子模块(1-1)和固有特性求解子模块(1-2)，有限元建模子模块(1-1)通过固有特性求解子模块(1-2)将计算结果输入给计算机(3)；测试分析模块(2)包括传感器(2-1)、电荷放大器(2-2)、A/D转换器(2-3)及动态测试分析系统(2-4)；传感器(2-1)粘贴在梁结构(5)上，传感器(2-1)的信号输出端与电荷放大器(2-2)的信号输入端相连，电荷放大器(2-2)的信号输出端与A/D转换器(2-3)的信号输入端相连，A/D转换器(2-3)的信号输出端与动态测试分析系统(2-4)的信号输入端相连，动态测试分析系统(2-4)的输出端与计算机(3)相连；梁结构(5)通过螺栓(6)和固定支架(7)固定在移动平台(8)上，控制器(4)的一端与移动平台(8)连接，控制器(4)的另一端与计算机(3)连接。
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