CN109359414B - 机械零部件关键部位测点优化布局下的应变实时监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机械零部件关键部位测点优化布局下的应变实时监测方法，属于机械零部件表面应变监测技术领域。通过布置在机械零件表面的应变传感器监测其在工作过程中的应变状态，同时基于传感器得到的各测点应变数据对待预测位置的应变状态进行预测，实现对机械零部件关键部位应变的实时监测，防止机械零部件关键薄弱位置发生疲劳破坏，确保机械设备安全可靠的工作。

Description

机械零部件关键部位测点优化布局下的应变实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种机械零部件关键部位应变实时监测方法，属于机械零部件 表面应变实时监测技术领域。
背景技术
目前对于机械零部件关键部位应变的实时监测方案通常是在待测位置直接 安装应变传感器，然后实时监测机械零部件工作过程中关键部位的应变状态； 对于无法直接安装应变传感器的位置处应变的预测，测点在布置时，大多采用 等距布置的方案，无法准确反映机械零部件的实际应变情况。
基于以上情况，本发明设计了一种星型测点优化布局模型，能够节省应变 传感器的数量同时很大限度地对机械设备进行安全性监测；提出一种距离分布 模型，能够更好的反映机械零部件关键部位的实际应变情况；另外提出一种主 应变间接预测模型，能够运用各测点测量的数据对待预测位置主应变状态进行 合理预测，同时采用该布局方法能够预测出机械零部件关键部位沿各个方向的 应变情况，确保机械设备安全可靠地运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械零部件关键部位应变的实时监测方法，利 用应变传感器获取各测点的应变数据，对机械零部件关键部位的应变状态进行 合理预测，并及时反馈给操作人员，防止突发事故的产生，确保机械零部件安 全可靠地工作。
本发明的技术方案：
一种机械零部件关键部位测点优化布局下的应变实时监测方法，所用的机 械零部件关键部位应变监测系统，包含测量应变的应变传感器、接收无线信号 的无线网关、显示测量数据的计算机、表面测点优化布置模型、测点距离分布 模型和等效主应变间接预测模型；通过布置在机械零件表面各个应变传感器获 取各测点处的应变数据，同时基于无线网络协议传至计算机，实现对机械零部 件关键部位应变的实时监测；具体包括表面测点优化布置模型、测点距离分布 模型和等效主应变间接预测模型；
(Ⅰ)建立表面测点优化布置模型
在测量范围内，以主应变待预测点为圆心，以每条测量分支的长度为半径 构建测量圆；沿半径方向进行应变测点的布置，构建一种测点星型方式排布的 测点优化布置模型，布置方案中，n条分支按照等角度进行布置，每条分支的应 变测点数目相同，不同分支的测点分布规律相同，但同一分支内测点布置间隔 不同，总体布置方式(如图1)。
(Ⅱ)构建测点距离分布模型
根据表面测点优化布置模型，进行测点布置；根据工程应用，测点按照一 定距离规律分布时，能够更好的反映机械零部件的实际应变情况，同时有效提 高预测精度。测点距离分布模型(图2所示)，具体模型公式如下：
f(x)＝Rα(asin(x-π)+b(x-10)2+c)
其中：a-正弦系数，取值范围为0.02892～0.02941；
b-二次项系数，取值范围为-0.01307～-0.01286；
c-常系数，取值范围为1.296～1.315；
以上参数随所受载状况进行选取，随载荷的增大而减小；
α-结构载荷修正系数，取值范围为1.1～1.5，随应变突变情况的加剧而 增大；
x-测点编号1～3；
R-测量圆半径，取值范围为120～200mm，随载荷增大而减小；
f(x)-应变测点距离待预测点的距离；
(Ⅲ)构建等效主应变间接预测模型
1)针对测点单条分支布置形式，等效主应变间接预测模型如下：
Figure BDA0001852455110000031
式中：l1、l2、l3-测点S1、S2、S3距离待预测点O的距离；
ε1、ε2、ε3-测点的应变；
ε0-待预测位置O点的应变；
α—应力突变影响系数，取值范围为1.1～1.6，随待测位置处应力突变增 大而增大；
2)针对测点n条分支布置形式，n＞1，等效主应变间接预测模型如下：
Figure BDA0001852455110000032
式中：n-测点分支布置数目；
εi-单条分支对O点的应变预测结果；
ε0-待测位置O点的主应变预测结果；
P-分支相互影响系数，取值范围为1.1～1.4，分支数越多其取值越大；
β-突变修正系数，当待测位置有应力突变时，β的取值范围为1.1～1.5， 突变越严重取值越大，当待测位置无应力突变时，β取1；
γ-分支角度修正因子，取值范围为1.1～1.6，相邻分支夹角越大，取值 越大；
误差说明：由于应变与机械零部件的结构形式以及承受的载荷有很大关 系，因此这种预测方法的预测范围不能放大，经过一些工程试验，测量圆的半 径一般不超过200mm。由于机械零部件运行工况复杂，这种预测方法存在一定 的误差，但在工程中可以接受。
本发明的有益效果：针对机械零部件提出了一种星型应变测点优化布局方 法，既节省了应变传感器的数量又很大限度地对机械设备进行安全性监测。另 外，提出了机械零部件关键部位应变的间接预测模型，可以运用此模型在已测 数据的基础上实现对机械零件的关键部位危险点的应变进行合理预测，此外运 用此模型可以预测出机械零部件关键部位沿各个方向的应变情况，确保机械设 备安全可靠地工作。
附图说明
图1是表面测点优化布局整体布置模型。
图2是测点距离分布模型。
图3是多条测点分支布置形式应变间接预测模型。
图4是以三条测点分支为例的具体测量实施图。
图中：A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3为应变直接测点；
S1、S2、S3为应变直接测量点；O为等效主应变待预测点；
l1、l2、l3为直接测量点与等效主应变待测点之间的距离；
M为限制测量范围的测量圆。
具体实施方式
下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
图1为表面测点优化布置模型
机械零部件关键部位应变监测方法，通过布置在机械零件表面各个应变传 感器实时获取各测点处的应变数据，通过无线网关接收到应变数据并传至计算 机，实现对机械零部件关键部位应变的实时监测；具体包括表面测点优化布置 模型、测点距离分布模型和等效主应变间接预测模型；
Ⅰ、表面测点优化布置模型
对于机械零部件关键部位的应变预测，由于测量现场工况或者机械零件结 构的限制，无法对所有部位进行测量，以往通常是选取几个合理位置的测点来 代替整个机械零部件的应变情况，既没有任何科学依据，也存在以偏概全的情 况。本专利提出一种表面测点优化布置模型，总体布置方式(如图1)；较之以 往能较大限度的掌握机械零部件应变情况，另外由后面的间接预测模型可以在 已有测点数据的基础上，实现关键部位等效主应变的合理预测，这就以多测点 应变情况最大限度了解机械零部件的应变状况。
Ⅱ、测点距离分布模型
根据表面测点优化布置模型，进行测点布置，根据工程应用，测点按照一 定距离规律分布时，能够更好的反映机械零部件的实际应变情况，同时有效提 高预测精度。下面，提出一种应变测点距离布置模型，测点距离分布图(图2 所示)，测点距离布置模型如下：
f(x)＝Rα(asin(x-π)+b(x-10)2+c)
其中：a-正弦系数0.02892～0.02941；
b-二次项系数-0.01307～-0.01286；
c-常系数1.296～1.315；
以上参数随所受载状况进行选取，随载荷的增大而减小；
α-结构载荷修正系数1.1～1.5；随应变突变情况的加剧而增大；
x-测点编号1～3；
R-测量圆半径120～200mm，随载荷增大而减小；
f(x)-应变测点距离待预测点的距离；
模型说明：
(1)布置测点时是以等效主应变待预测点为圆心沿半径方向开始布置。
(2)由于工况的复杂性，具有一定的误差，其误差在工程上可以接受。
Ⅲ、间接预测模型
对于间接预测模型，根据以上两个模型可以实现应变测点的合理布置，在 已知测点位置处的应变数据后，需要实现对等效主应变预测点应变的推算，因 此针对多条分支测点布置形式下(以3条分支为例)，预测模型示意图(图4所 示)，预测模型如下：
针对测点单条分支布置形式，预测模型如下：
Figure BDA0001852455110000061
式中：l1、l2、l3-测点S1、S2、S3距离待预测点O的距离；
ε1、ε2、ε3-测点的应变响应；
ε0-待测位置O点的应变；
α-应力突变影响系数，1.1～1.6，随待测位置处应力突变增大而增大；
针对测点n条分支(n＞1)布置形式，预测模型如下：
Figure BDA0001852455110000062
式中：n-测点分支布置数目；
εi-单条分支对O点的应变预测结果；
ε0-待测位置O点的主应变预测结果；
P-分支相互影响系数,1.1～1.4，分支数越多其取值越大；
β-突变修正系数，当待测位置有应力突变时β取1.1～1.5，突变越严重取 值越大，当待测位置无应力突变时，β取1；
γ—分支角度修正因子，1.1～1.6，相邻分支夹角越大，取值越大；
模型说明：
(1)对单条分支预测模型，预测出的应变结果为待预测点处沿该分支方向的应 变状态。
(2)间接预测模型是先通过单条分支间接预测模型预测出待预测点处的等效主应变，然后采用多条分支间接预测模型对每条分支预测结果进行处理。
(3)由于机械零部件实际工作环境以及结构可能复杂多变，因此本间接预测模 型在进行应变预测时在合理的范围内可能存在一定的误差。
(4)在结构允许条件下适当增加分支数目可显著提高预测精确度。

Claims (1)

1.一种机械零部件关键部位测点优化布局下的应变实时监测方法，所用的机械零部件关键部位应变监测系统，包含测量应变的应变传感器、接收无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、表面测点优化布置模型、测点距离分布模型和等效主应变间接预测模型；通过布置在机械零件表面各个应变传感器获取各测点处的应变数据，同时基于无线网络协议传至计算机，实现对机械零部件关键部位应变的实时监测；其特征在于，所述的应变实时监测方法包括表面测点优化布置模型、测点距离分布模型和等效主应变间接预测模型的构建；
(Ⅰ)建立表面测点优化布置模型
在测量范围内，以主应变待预测点为圆心，以每条测量分支的长度为半径构建测量圆；沿半径方向进行应变测点的布置，构建一种测点星型方式排布的测点优化布置模型，布置方案中，n条分支按照等角度进行布置，每条分支的应变测点数目相同，不同分支的测点分布规律相同，但同一分支内测点布置间隔不同；
(Ⅱ)构建测点距离分布模型
根据表面测点优化布置模型，进行测点布置；测点距离分布模型，具体模型公式如下：
f(x)＝Rα(asin(x-π)+b(x-10)2+c)
其中：a—正弦系数，取值范围为0.02892～0.02941；
b—二次项系数，取值范围为-0.01307～-0.01286；
c—常系数，取值范围为1.296～1.315；
以上参数随所受载状况进行选取，随载荷的增大而减小；
α—结构载荷修正系数，取值范围为1.1～1.5，随应变突变情况的加剧而增大；
x—测点编号1～3；
R—测量圆半径，取值范围为120～200mm，随载荷增大而减小；
f(x)—应变测点距离待预测点的距离；
(Ⅲ)构建等效主应变间接预测模型
1)针对测点单条分支布置形式，等效主应变间接预测模型如下：
Figure FDA0002761643740000021
式中：l1、l2、l3—测点S1、S2、S3距离待预测点O的距离；
ε1、ε2、ε3—测点的应变；
ε0—待预测位置O点的应变；
α—应力突变影响系数，取值范围为1.1～1.6，随待测位置处应力突变增大而增大；
2)针对测点n条分支布置形式，n>1，等效主应变间接预测模型如下：
Figure FDA0002761643740000022
式中：n—测点分支布置数目；
εi—单条分支对O点的应变预测结果；
ε0—待测位置O点的主应变预测结果；
P—分支相互影响系数，取值范围为1.1～1.4，分支数越多其取值越大；
β—突变修正系数，当待测位置有应力突变时，β的取值范围为1.1～1.5，突变越严重取值越大，当待测位置无应力突变时，β取1；
γ—分支角度修正因子，取值范围为1.1～1.6，相邻分支夹角越大，取值越大。
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