CN106197564A - 一种适用于识别连接结合面参数的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于识别连接结合面参数的方法与系统，本发明的参数识别测试系统能够测试机械结构的各类性质结合面，包括固定结合面(如焊接)，活动结合面(螺纹连接)，相对运动结合面(如滑动，旋转)；涵盖范围广；本发明还考虑了各连接的黏弹性单元间关系及其动力学的连续性，且考虑了结合面的本身的力学属性与物理属性，比如结合面尺寸，以监测传感器布置点代替结合面点的变形，测量准确；最后采用多尺度多层次的测试结构与校正方法，使其计算效率与监测精度均能够达到工程应用要求。

Description

一种适用于识别连接结合面参数的方法与系统

技术领域

本发明涉及结合面参数识别领域，特别是一种适用于识别连接结合面参数的方法与系统，用于识别结合面刚度，阻尼比。

背景技术

由零件、组件、部件构成的机械或者机械结构存在大量的各种各样的相互接触的表面为结合面，系统的中阻尼的90％来源于结合面。机床静刚度中30％～50％决定于结合部的刚度特性，机床上出现的振动问题有60％以上源自结合部，其中结合面属于“柔性组合”，受到动载荷作用时既储存能量又消耗能量，表现出弹性与阻尼，即接触刚度与接触阻尼。刚度、阻尼在许多结构与系统的设计，机械结构的动静态特性及整机综合性能显得至关重要，结合面阻尼在降低结构振动幅值、控制响应、提高结构疲劳寿命中具有重要的作用。由于结合部作用机理的非线形性，影响因数的多样性，绝大部分基于试验研究，或者理论解析研究，均没有考虑各黏弹性单元之间及黏弹性单元各坐标之间的耦合关系，或参数识别也没有考虑结合面本身的力学属性与物理属性，或只适应于某种特定的结合面，与实际使用具有较大的距离。

以往的结合面识别系统与结构的不足

以往有学者提出一种传递函数分析与试验模态相结合的结合面参数识别方法，具有识别精度不高，且难以实际使用。也有学者对机床具有典型形式的结合部进行理论解析，虽然精度较高但是难以通用。

结合面参数识别系统的特点与要求

在实际使用过程中，要求结合面参数识别系统在满足使用精度的条件下，能够广泛使用。由于结合面的形式多样且存在机械系统的各个结构，尺寸与形状均具有严格的限制要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种适用于识别连接结合面参数的方法与系统。本发明的参数识别测试系统能够测试机械结构的各类性质结合面，包括固定结合面(如焊接)，活动结合面(螺纹连接)，相对运动结合面(如滑动，旋转)；涵盖范围广；本发明还考虑了各连接的黏弹性单元间关系及其动力学的连续性，且考虑了结合面的本身的力学属性与物理属性，比如结合面尺寸，以监测传感器布置点代替结合面点的变形，测量准确；最后采用多尺度多层次的测试结构与校正方法，使其计算效率与监测精度均能够达到工程应用要求。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种适用于识别连接结合面参数的系统，包括力锤，力锤连接数据采集和数据处理系统，数据采集和数据处理系统连接有结合面结构和传感器结构，结合面结构连接有激振器，激振器连接有信号发生器；所述结合面结构包括第一零件、第二零件及第一零件和第二零件之间的结合面；所述传感器结构包括加速度传感器组、速度传感器组、位移传感器组和力传感器；第一零件底面两侧连接有刚体，刚体连接加速度传感器组；所述加速度传感器组包括不少于3个加速度传感器形成的加速度矩阵，加速度矩阵为平面状或立体状；第一零件顶部的边侧连接有第一速度传感器；第一零件顶部的一侧连接有第一位移传感器，第一零件顶部的另一侧连接有第二位移传感器，第一位移传感器和第二位移传感器对称设置；第二零件底部的一侧连接有第二速度传感器，另一侧连接有第三速度传感器；第二零件底部的中部连接有力传感器；所述速度传感器组包括第一速度传感器、第二速度传感器和第三速度传感器；位移传感器组包括第一位移传感器和第二位移传感器。

进一步的改进，所述力锤通过第一电荷放大器连接数据采集和数据处理系统，数据采集和数据处理系统通过第二电荷放大器连接传感器结构。

进一步的改进，所述激振器通过功率放大器连接信号发生器。

进一步的改进，所述加速度传感器组为7个加速度传感器组成的加速度矩阵。

一种适用于识别连接结合面参数的方法，包括如下步骤：

对于单自由度系统，计算步骤如下：

步骤一)建立第一零件—结合面—第二零件的动力学模型：

速度为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}{\stackrel{\·}{x}}_i=x_i---\left(1\right);$

其中，x_i表示i部件的位移矩阵；表示i部件速度；t₁表示时间开始点；t₂表示时间结束点；i表示对应的零件或者结合面加速度为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}{\stackrel{\·\·}{x}}_i={\stackrel{\·}{x}}_i---\left(2\right);$

其中，表示i部件的加速度；

力矩阵为：

$M_i\·{\stackrel{\·\·}{x}}_i+C_i\·{\stackrel{\·}{x}}_i+K_i\·x_i=F_i---\left(3\right);$

其中，F_i表示i部件的力矩阵；M_i表示i部件的质量；C_i表示i部件的阻尼比；K_i表示i部件的刚度矩阵；

含有结合面结构的组合结构的动力学方程为：

$\begin{array}{c}\[\left[\begin{array}{cc}{M}_1& \\ & M_3\end{array}\right]+\[M_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_3\end{array}\right\}+\[\left[\begin{array}{cc}{C}_1& \\ & C_3\end{array}\right]+\[C_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_3\end{array}\right\}\\ +\[\left[\begin{array}{cc}{K}_1& \\ & K_3\end{array}\right]+\[K_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{x}_1\\ x_3\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_3\end{array}\right\}\end{array}---\left(4\right)$

其中，1表示第一零件，2表示结合面；3表示第二零件；

忽略结合面的质量则可得:

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{M}_1& \\ & M_3\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_3\end{array}\right\}+\[\left[\begin{array}{cc}{C}_1& \\ & C_3\end{array}\right]+\[C_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_3\end{array}\right\}+\[\left[\begin{array}{cc}{K}_1& \\ & K_3\end{array}\right]+\[K_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{x}_1\\ x_3\end{array}\right\}\\ =\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_3\end{array}\right\}\end{array}---\left(5\right)$

结合面的应力矩阵如下所示:

$\mathrm{\σ}=\frac{F_2}{A}E=C_2\stackrel{\·}{x_2}---\left(6\right)$

其中

σ表示结合面应力矩阵，F₂表示结合面的面压力，A表示结合面的面积；E表示单位矩阵，C₂表示结合面的阻尼矩阵；表示结合面的速度矩阵；

结合面的面压力F₂为：

[C₂[K₂]+[K₂]]{x₂}＝{F₂}； (7)

根据公式5-7即可得到结合面刚度K₂，与阻尼比C₂。

进一步的改进，对于多自由度系统，在单自由度系统计算方法的基础上，计算步骤如下：结合面的动刚度Z(ω)为：

$Z\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F}{X}---\left(8\right);$

其中F表示结合面的力矩阵；X表示结合面的位移矩阵；

位移频响函数H(ω)为：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{X}{F}=\frac{1}{Z\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(9\right);$

结合公式7和8则有：

H(ω)Z(ω)＝1 (10)

则多自由度的动力学方程为：

(-ω²M+ωC+K)H(ω)＝1 (11)

其中，ω表示结合面的振动频率；M表示质量矩阵；C表示结合面的阻尼比；K表示结合面的刚度矩阵。

本发明的参数识别测试系统能够测试机械结构的各类性质结合面，包括固定结合面(如焊接)，活动结合面(螺纹连接)，相对运动结合面(如滑动，旋转)；涵盖范围广；本发明还考虑了各连接的黏弹性单元间关系及其动力学的连续性，且考虑了结合面的本身的力学属性与物理属性，比如结合面尺寸，以监测传感器布置点代替结合面点的变形，测量准确；最后采用多尺度多层次的测试结构与校正方法，使其计算效率与监测精度均能够达到工程应用要求。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明结合面结构的结构示意图；

图3是加速度传感器组的结构示意图；

图4是数据采集和数据处理系统的数据处理流程；

其中，1～14为加速度传感器，15为第二速度传感器，16为力传感器，17为第三速度传感器，18为第一位移传感器、19为第二位移传感器；20为第一速度传感器，21为刚体；22为力锤；23为数据采集和数据处理系统；24为激振器；25为第一零件；26为第二零件；27为结合面；28为信号发生器；29为第一电荷放大器；30为第二电荷放大器；31为功率放大器。

具体实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。

实施例1

如图1-3所示的一种适用于识别连接结合面参数的系统，包括力锤22，力锤22连接数据采集和数据处理系统23，数据采集和数据处理系统23连接有结合面结构和传感器结构，结合面结构连接有激振器24，激振器24连接有信号发生器28；所述结合面结构包括第一零件25、第二零件26及第一零件和第二零件之间的结合面27；所述传感器结构包括加速度传感器组、速度传感器组、位移传感器组和力传感器。

第一零件25底面两侧连接有刚体21，刚体21连接加速度传感器组；所述加速度传感器组包括不少于3个加速度传感器形成的加速度矩阵，优选为7个，如图3所示，1-7号加速度传感器组成第一加速度传感器组；8-14号加速度传感器组成第二加速度传感器组。加速度矩阵为平面状或立体状。

第一零件25顶部的边侧连接有第一速度传感器20；第一零件25顶部的一侧连接有第一位移传感器18，第一零件顶部的另一侧连接有第二位移传感器19，第一位移传感器18和第二位移传感器19对称设置；第二零件26底部的一侧连接有第二速度传感器15，另一侧连接有第三速度传感器17；第二零件26底部的中部连接有力传感器16；所述速度传感器组包括第一速度传感器、第二速度传感器和第三速度传感器；位移传感器组包括第一位移传感器和第二位移传感器。

本专利使用时，先使用力锤敲击或采用稳态正弦激励的测试方法，测量各项参数后，计算结合面的刚度和阻尼比；然后在开启激振器，再次测量各项参数候，计算结合面的刚度和阻尼比。将两种方法测量后计算的结果进行平均与拟合即可使得得到的结果更加精确。

当第一零件的底面发生形变时，其形变与结合面一致，此时带动刚体运动，刚体的运动状态被加速度传感器组探知，由于速度矩阵为平面状或立体状，因此可测得刚体运动的立体运动参数，获得结合面的整体变形，提高了计算精度。

力锤通过第一电荷放大器29连接数据采集和数据处理系统，数据采集和数据处理系统通过第二电荷放大器30连接传感器结构。

激振器通过功率放大器31连接信号发生器。

实现例2：

当力锤锤击第一零件时，压力传感器检测压力并输入数据采集系统当中，位移传感器18,19获得第一零件表面的位移加速度传感器20检测获得数据采集系统可按照公式(1)和(2)进行求导或者积分获得加速度，速度与位移，并进行插值拟合，使其与压力传感器检测的压力相匹配，按照公式即(力F为质量M与加速度的乘积)或者F＝KX(即力F为刚度K与形变量的乘积)，获得F₁，X₁，速度传感器17,15获得第二零件的加速度，速度，位移，并将采集的数据进行平均，去噪音，获得F₃，X₃，加速度传感器1-14获得结合面X，Y，Z方向加速度，速度，位移，并组合成14节点刚度矩阵，而零件1,2的质量、刚度，阻尼矩阵均可以按照有限元理论获得，按照公式(7)可以获得结合面压力，按照公式(5)-(7)即可以获得结合面刚度K₂，阻尼C₂。其计算精度随着零件1上表面，零件2下表面传感器数目，及结合面布置传感器的数目增加而增加，但是数量增加会导致计算量指数增加，实验表明，传感器及数量按照说明书布置是最优的。其数量与布置形式会依据结合面及零件形式有所差异。

力锤锤击第一零件时，数据采集系统获得响应与激励信号经过数据处理系统(如图4)的处理后，可以获得公式(4)需要的加速度，速度，位移，力矩阵，而第一零件与第二零件的质量，刚度，阻尼矩阵可以通过有限元理论获得，就可以通过计算获得结合面的阻尼，刚度矩阵。图4结合面监测系统能够获得准确的加速度、速度、位移参数。再通过公式(1)-(3)即可计算获得结合面压力。

实现例3：

对于多自由度系统，在锤击法进行模态实验，激励在j个自由度时，力向量在频域上可以表示为：

H(ω)＝[0,0,…,f_i(ω),0,…,0]^T

代入公式(11)有:

(-ω²M+jωC+K)[h_1i(ω)，h_2i(ω)，…，h_ni(ω)]

＝[0,0,…,1,0,…,0]^T

子结构的M，C，K可以通过有限元理论获得，结合面忽略其质量矩阵，固有频率ω及频响函数可以通过模态试验获得，可以通过公式(11)计算获得结合面参数，即结合面的刚度和阻尼比。

上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种适用于识别连接结合面参数的系统，其特征在于，包括力锤，力锤连接数据采集和数据处理系统，数据采集和数据处理系统连接有结合面结构和传感器结构，结合面结构连接有激振器，激振器连接有信号发生器；所述结合面结构包括第一零件、第二零件及第一零件和第二零件之间的结合面；所述传感器结构包括加速度传感器组、速度传感器组、位移传感器组和力传感器；第一零件底面两侧连接有刚体，刚体连接加速度传感器组；所述加速度传感器组包括不少于3个加速度传感器形成的加速度矩阵，加速度矩阵为平面状或立体状；第一零件顶部的边侧连接有第一速度传感器；第一零件顶部的一侧连接有第一位移传感器，第一零件顶部的另一侧连接有第二位移传感器，第一位移传感器和第二位移传感器对称设置；第二零件底部的一侧连接有第二速度传感器，另一侧连接有第三速度传感器；第二零件底部的中部连接有力传感器；所述速度传感器组包括第一速度传感器、第二速度传感器和第三速度传感器；位移传感器组包括第一位移传感器和第二位移传感器。

2.如权利要求1所述的适用于识别连接结合面参数的系统，其特征在于，所述力锤通过第一电荷放大器连接数据采集和数据处理系统，数据采集和数据处理系统通过第二电荷放大器连接传感器结构。

3.如权利要求1所述的适用于识别连接结合面参数的系统，其特征在于，所述激振器通过功率放大器连接信号发生器。

4.如权利要求1所述的适用于识别连接结合面参数的系统，其特征在于，所述加速度传感器组为7个加速度传感器组成的加速度矩阵。

5.一种适用于识别连接结合面参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于单自由度系统，计算步骤如下：

步骤一)建立第一零件—结合面—第二零件的动力学模型：

速度为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}{\stackrel{\·}{x}}_i=x_i---\left(1\right);$

其中，x_i表示i部件的位移矩阵；表示i部件速度；t₁表示时间开始点；t₂表示时间结束点；i表示对应的零件或者结合面

加速度为：

${\∫}_{t_1}^{t_2}{\stackrel{\·\·}{x}}_i={\stackrel{\·}{x}}_i---\left(2\right);$

其中，表示i部件的加速度；

力矩阵为：

$M_i\·{\stackrel{\·\·}{x}}_i+C_i\·{\stackrel{\·}{x}}_i+K_i\·x_i=F_i---\left(3\right);$

其中，F_i表示i部件的力矩阵；M_i表示i部件的质量；C_i表示i部件的阻尼比；K_i表示i部件的刚度矩阵；

含有结合面结构的组合结构的动力学方程为：

$\begin{array}{c}\[\left[\begin{array}{cc}{M}_1& \\ & M_3\end{array}\right]+\[M_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_3\end{array}\right\}=\[\left[\begin{array}{cc}{C}_1& \\ & C_3\end{array}\right]+\[C_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_3\end{array}\right\}\\ +\[\left[\begin{array}{cc}{K}_1& \\ & K_3\end{array}\right]+\[K_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{x}_1\\ x_3\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_3\end{array}\right\}\end{array}---\left(4\right)$

其中，1表示第一零件，2表示结合面；3表示第二零件；

忽略结合面的质量则可得:

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{M}_1& \\ & M_3\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_3\end{array}\right\}+\[\left[\begin{array}{cc}{C}_1& \\ & C_3\end{array}\right]+\[C_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_3\end{array}\right\}+\[\left[\begin{array}{cc}{K}_1& \\ & K_3\end{array}\right]+\[K_2\]\]\left\{\begin{array}{c}{x}_1\\ x_3\end{array}\right\}\\ =\left\{\begin{array}{c}{F}_1\\ F_3\end{array}\right\}\end{array}---\left(5\right)$

结合面的应力矩阵如下所示:

$\mathrm{\σ}=\frac{F_2}{A}E=C_2\stackrel{\·}{x_2}---\left(6\right)$

其中

σ表示结合面应力矩阵，F₂表示结合面的面压力，A表示结合面的面积；E表示单位矩阵，C₂表示结合面的阻尼矩阵；表示结合面的速度矩阵；

结合面的面压力F₂为：

[C₂[K₂]+[K₂]]{x₂}＝{F₂}； (7)

根据公式5-7即可得到结合面刚度K₂，与阻尼比C₂。

6.如权利要求5所述的适用于识别连接结合面参数的方法，其特征在于，对于多自由度系统，在单自由度系统计算方法的基础上，计算步骤如下：结合面的动刚度Z(ω)为：

$Z\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F}{X}---\left(8\right);$

其中F表示结合面的力矩阵；X表示结合面的位移矩阵；

位移频响函数H(ω)为：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{X}{F}=\frac{1}{Z\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(9\right);$

结合公式7和8则有：

H(ω)Z(ω)＝1 (10)

则多自由度的动力学方程为：

(-ω²M+jωC+K)H(ω)＝1 (11)

其中，ω表示结合面的振动频率；M表示质量矩阵；C表示结合面的阻尼比；K表示结合面的刚度矩阵；j表示自由度的个数。