CN111595939B - 一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法 - Google Patents

一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法，包括如下步骤：S1、收割机结构损伤位置的确定；S2、考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化；S3、细化损伤区域的实时在线超声能量采集；S4、损伤位置断裂能量因子的计算；S5、实时断裂损伤位置的确定。该方法对收割机损伤识别高效、准确。

Description

一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法
技术领域
本发明涉及收割机损伤识别方法，特别涉及一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法。
背景技术
随着经济社会的迅猛发展，规模化农业生产逐渐成为了农业发展的主流趋势，农用装备的安全性问题越来越受到社会的关注。一方面，随着气候与环境的变化，收割机的作业周期迅速增加，作业环境更加恶劣，在这样的背景下微小的裂纹就会造成巨大的伤害。另一方面，一大批老旧收割机结构仍在关键岗位上发挥着重要作用，若直接按使用周期停用，势必会造成巨大的资源浪费。目前对收割机结构的损伤识别方法研究大多是离散状态下对结构进行探伤或是通过敲击经验的方法，并没有考虑实时损伤识别的实现，且识别精度较低。因此，从全面提高损伤识别精度的角度出发来对收割机进行在线监测是必要的。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法。
技术方案：本发明提供一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法，包括如下步骤：
S1、收割机结构损伤位置的确定；
S2、考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化；
S3、细化损伤区域的实时在线超声能量采集；
S4、损伤位置断裂能量因子的计算；
S5、实时断裂损伤位置的确定。
进一步地，所述S1收割机结构损伤位置的确定方法：建立收割机的三维模型，然后将三维模型导入到有限元分析软件中，采用自动模式对其网格进行划分，然后在前处理模块中施加收割机的载荷谱并定义相应的约束条件，完毕后对其进行后处理，确定收割机结构的损伤位置及损伤位置的应力分布情况，记损伤位置的面积为A1。
进一步地，所述S2考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化方法：在S1的基础上，按照S1中载荷加载的位置选用瞬态分析模块，对结构模型按照自动模式进行网格划分，然后施加冲击力，并定义相同的约束条件，完毕后对其进行后处理，在S1已确定的损伤位置中选择损伤细化的区域，记细化的区域个数标记为N，计算考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数C，施加冲击力优选为施加3倍于一般工况载荷的冲击力，每个区域的面积优选为7cm2，
Figure BDA0002449294250000021
其中，C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；N为细化的区域个数；A1为损伤位置的面积。
进一步地，所述S3细化损伤区域的实时在线超声能量采集方法：在S2确定的细化损伤区域的基础上，布置超声传感设备采集工况条件下的实时能量值Ii，i为时间，i＝1，2...M，单位为秒，收割机每作业5分钟，对这5分钟内数据的超声能量谱进行记录，并根据5分钟内的超声能量谱对谱值奇异率Qt，幅值变化区间Ft及峰谷插补率Gt进行求解，
Figure BDA0002449294250000022
Figure BDA0002449294250000023
Figure BDA0002449294250000024
其中，Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；C(Ii)max为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最大值；C(Ii)min为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最小值；Ii为工况条件下的实时能量值，i为时间，h为5分钟时间内对应于C(Ii)max的时间值，t为每隔5分钟的时间顺次数。
进一步地，所述S4损伤位置断裂能量因子的计算方法：根据S3中计算的超声能量谱数据，对损伤位置的断裂能量因子YN进行计算，
Figure BDA0002449294250000025
其中，YN为损伤位置的断裂能量因子；Δk为裂尖能量因子，通过有限元分析获得；M为监测的总时间；i为时间；C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；t为每隔5分钟的时间顺次数；N为细化的区域个数。
进一步地，所述S5实时断裂损伤位置的确定方法：在S4中计算的损伤位置的断裂能量因子YN的基础上，计算所有位置的断裂能量因子的平均值
Figure BDA0002449294250000031
Figure BDA0002449294250000032
其中，
Figure BDA0002449294250000033
为所有位置的断裂能量因子的平均值；N为细化的区域个数；Yi为每个位置的断裂能量因子值；i为时间。当某个区域的断裂能量因子大于
Figure BDA0002449294250000034
时，即认定该区域出现了损伤。
有益效果：本发明可以实现工况条件下收割机损伤位置的实时监测，通过超声能量谱的实时变化来构建能量变化率曲线，进而估算损伤位置的断裂能量因子，有利于精确地实时获取收割机的损伤状态，从而更有效的提高收割机运行的安全性。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例基于超声能量谱的收割机损伤识别方法，包括以下步骤：
S1.收割机结构损伤位置的确定：
建立收割机的三维模型，然后将三维模型导入到有限元分析软件中，采用自动模式对其网格进行划分，然后在前处理模块中施加收割机的载荷谱并定义相应的约束条件，完毕后对其进行后处理，确定收割机结构的损伤位置及损伤位置的应力分布情况，记损伤位置的面积为A1。
S2.考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化：
在S1分析的基础上，仍按照S1中载荷加载的位置选用瞬态分析模块，对结构模型按照自动模式进行网格划分，然后施加3倍于普通工况载荷的冲击力，并定义相同的约束条件，完毕后对其进行后处理，在S1已确定的损伤位置中选择损伤细化的区域，每个区域的面积为7cm2，记细化的区域个数标记为N，
计算考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数C，
Figure BDA0002449294250000035
其中，C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；N为细化的区域个数；A1为损伤位置的面积。
S3.细化损伤区域的实时在线超声能量采集：
在S2确定的细化损伤区域的基础上，布置超声传感设备采集工况条件下的实时能量值Ii(i为时间，i＝1，2...M，单位为秒)，收割机每作业5分钟，对这5分钟内数据的超声能量谱进行记录，并根据5分钟内的超声能量谱对谱值奇异率Qt，幅值变化区间Ft及峰谷插补率Gt进行求解，
Figure BDA0002449294250000041
Figure BDA0002449294250000042
Figure BDA0002449294250000043
其中，Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；C(Ii)max为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最大值；C(Ii)min为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最小值；Ii为工况条件下的实时能量值，i为时间，h为5分钟时间内对应于C(Ii)max的时间值，t为每隔5分钟的时间顺次数。
S4.损伤位置断裂能量因子的计算：
根据S3中计算的超声能量谱数据，对损伤位置的断裂能量因子YN进行计算，
Figure BDA0002449294250000044
其中，YN为损伤位置的断裂能量因子；Δk为裂尖能量因子，通过有限元分析获得；M为监测的总时间；i为时间；C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；t为每隔5分钟的时间顺次数；N为细化的区域个数。
S5.实时断裂损伤位置的确定：
在S4中计算的损伤位置的断裂能量因子YN的基础上，计算所有位置的断裂能量因子的平均值
Figure BDA0002449294250000051
Figure BDA0002449294250000052
其中，
Figure BDA0002449294250000053
为所有位置的断裂能量因子的平均值；N为细化的区域个数；Yi为每个位置的断裂能量因子值；i为时间。当某个区域的断裂能量因子大于
Figure BDA0002449294250000054
对，即认定该区域出现了损伤。

Claims (1)

1.一种基于超声能量谱的收割机损伤识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、收割机结构损伤位置的确定；
S2、考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化；
S3、细化损伤区域的实时在线超声能量采集；
S4、损伤位置断裂能量因子的计算；
S5、实时断裂损伤位置的确定，
所述S1收割机结构损伤位置的确定方法：建立收割机的三维模型，然后将三维模型导入到有限元分析软件中，采用自动模式对其网格进行划分，然后在前处理模块中施加收割机的载荷谱并定义相应的约束条件，完毕后对其进行后处理，确定收割机结构的损伤位置及损伤位置的应力分布情况，记损伤位置的面积为A1；
所述S2考虑瞬时冲击作用的损伤区域细化方法：在S1的基础上，按照S1中载荷加载的位置选用瞬态分析模块，对结构模型按照自动模式进行网格划分，然后施加冲击力，并定义相同的约束条件，完毕后对其进行后处理，在S1已确定的损伤位置中选择损伤细化的区域，记细化的区域个数标记为N，计算考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数C，
Figure FDA0003775072200000011
其中，C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；N为细化的区域个数；A1为损伤位置的面积；
所述S3细化损伤区域的实时在线超声能量采集方法：在S2确定的细化损伤区域的基础上，布置超声传感设备采集工况条件下的实时能量值Ii，i为时间，i＝1，2…M，单位为秒，收割机每作业5分钟，对这5分钟内数据的超声能量谱进行记录，并根据5分钟内的超声能量谱对谱值奇异率Qt，幅值变化区间Ft及峰谷插补率Gt进行求解，
Figure FDA0003775072200000012
Figure FDA0003775072200000013
Figure FDA0003775072200000014
其中，Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；C(Ii)max为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最大值；C(Ii)min为工况条件下5分钟时间内采集到的所有实时能量Ii中的最小值；Ii为工况条件下的实时能量值，i为时间，h为5分钟时间内对应于C(Ii)max的时间值，t为每隔5分钟的时间顺次数；
所述S4损伤位置断裂能量因子的计算方法：根据S3中计算的超声能量谱数据，对损伤位置的断裂能量因子YN进行计算，
Figure FDA0003775072200000021
其中，YN为损伤位置的断裂能量因子；Δk为裂尖能量因子，通过有限元分析获得；M为监测的总时间；i为时间；C为考虑瞬时冲击的损伤区域细化系数；Qt为5分钟内的超声能量谱的谱值奇异率；Ft为5分钟内的超声能量谱的幅值变化区间；Gt为5分钟内的超声能量谱的峰谷插补率；t为每隔5分钟的时间顺次数；N为细化的区域个数；
所述S5实时断裂损伤位置的确定方法：在S4中计算的损伤位置断裂能量因子YN的基础上，计算所有位置的断裂能量因子的平均值
Figure FDA0003775072200000022
Figure FDA0003775072200000023
其中，
Figure FDA0003775072200000024
为所有位置的断裂能量因子的平均值；N为细化的区域个数；Yi为每个位置的断裂能量因子值；i为时间，当某个区域的断裂能量因子大于
Figure FDA0003775072200000025
时，即认定该区域出现了损伤。
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