CN112781722B - 一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法，该方法中将管道系统载荷及约束条件反演方法转化为最优化问题：取一定载荷及约束条件下测点加速度响应的仿真信号和实验信号的残差函数作为优化问题的目标函数，在参数可行域内寻找最优解使目标函数极小；管道系统的载荷及约束条件进行分步反演重构：先给管路施加已知的载荷，对约束条件参数进行重构，然后基于重构的约束条件参数，对载荷参数进行重构；最后基于重构所得载荷、约束参数和管道结构设计参数及材料，通过有限元建模求解获得管道系统的全面振动信息。本发明可综合考虑复杂多样的管路结构、连接与约束形式，实现对管路系统振动和损伤状态的全面检测，具有检测精度高、工程适用性强等优点。

Description

一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法
技术领域
本发明涉及管路系统的动强度分析与可靠性的无损评估技术领域，具体涉及一种针对管路系统的基于有限测点的管路振动全面检测预示方法。
背景技术
管路系统液体火箭发动机的重要组成部分，用于连接液体火箭发动机推进剂贮箱、涡轮泵、推力室、燃烧室等主体结构，管路系统可称为液体火箭发动机的“心血管”。液体火箭发动机管路多为不规则薄壁结构，大多工作于低/高温、高压和多源振动等复杂载荷条件下，管路结构、连接与约束形式多样复杂，兼具总体轻量化要求，其与主体结构的连接和焊接处又存在不同程度的应力集中或残余应力，这些因素的叠加作用导致液体火箭发动机管路结构时常会出现断裂、泄露等失效破坏现象。据统计，在发动机试车与飞行任务中，由于振动导致的管路失效现象约占发动机总故障率的30％以上，管路是发动机故障率最高的组件之一。目前我国在对液体火箭发动机管路的研究中，尤其是管路故障问题的处理中，大多采取加卡箍、改走向和增加壁厚等“综合治理”措施，导致管路的动强度设计裕度不明、偏保守、整体性能偏低、负面影响严重等。另外，对火箭发动机管路在非平稳随机强振动下的动强度分析与可靠性评估方面尚未进行深层次的研究，缺乏有效的动态优化设计与可靠性增长技术等。
发明内容
本发明的目的在于针对发动机典型管路系统，提出一种基于有限测点的管道振动全面检测预示方法，旨在通过有限设置振动和应变测点获取实际局部振动和变形的有效信息，进而开发管路载荷和约束状态的高效反演识别方法，反演识别管路载荷和不确定约束信息，最后基于反演结果和设计信息建立管路结构精确动力学模型，实现对管路系统振动和损伤状态的全面检测。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：管路系统载荷及约束条件反演方法能够转化为最优化问题，该优化问题的目标函数为：
Figure GDA0003381949590000021
式中，ε为所有测点加速度响应的实验信号和仿真信号的残差，
Figure GDA0003381949590000022
为管路系统载荷及约束条件的参数特征向量，
Figure GDA0003381949590000023
为第m个测点加速度响应的实验信号，
Figure GDA0003381949590000024
为第m个测点的加速度响应的仿真信号，M为测点总数；具体方法为，先重构约束条件参数，再重构管路系统载荷参数，包括如下步骤：
步骤一：重构约束条件参数
步骤1：重构约束条件参数：基于实际管路和约束条件，人为施加一组已知载荷，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置已知载荷、约束条件参数初值和终止条件，建立有限元模型，施加已知载荷和约束条件，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构约束条件参数，如果不满足，根据反问题算法，更新约束条件参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构约束条件参数；
步骤二：重构管路系统载荷参数
步骤1：重构管道系统载荷参数：基于实际管路、管路系统载荷和约束条件，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置重构约束条件参数、载荷初值和终止条件，建立有限元模型，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构管路系统载荷参数；如果不满足，根据反问题算法，更新载荷参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构管路系统载荷参数，结束重构；
步骤三：基于重构所得载荷、约束参数和管道结构设计参数及材料，通过有限元建模求解获得管路系统的全面振动信息。
所述方法中的终止条件为满足仿真信号与实验振动测试信号的残差小于收敛残差或者迭代计算达到最大迭代步数。
所述方法能够综合考虑管路系统中弯管1、直管2、法兰3、管夹4以及管道连接件5多种组件的影响。
所述约束条件的参数总数不少于一个，且根据管路的具体服役环境选择约束条件参数。
所述方法中的反问题算法为共轭梯度法。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明能够实现复杂管路系统的载荷和约束条件精确重构，从而更加准确、高效地对管路系统振动和损伤状态进行全面评估。
2)本发明实施过程中，基于有限个测点，数据量少，易实施，工程实用性强。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明管路系统示意图。
图3为本发明管路系统所受载荷和约束条件位置示意图。
图4为本发明实施例应变片测点位置图。
具体实施方式
本发明方法的检测原理为：管道系统载荷6及约束条件7反演方法可以转化为最优化问题，选取一定载荷及约束条件下的有限元计算模拟参数与真实结构测量参数的残差函数作为优化问题的目标函数，那么管道系统载荷及约束条件的反演问题可以等价为在参数可行域内寻找最优解使得目标函数极小的过程。对于管道系统载荷6及约束条件7的反演问题，目标函数可采用下式进行计算：
Figure GDA0003381949590000041
式中，
Figure GDA0003381949590000042
为管路系统载荷及约束条件的参数特征向量,
Figure GDA0003381949590000043
为第m个测点加速度响应的实验信号，
Figure GDA0003381949590000044
为第m个测点的加速度响应的仿真信号，M为测点总数；
Figure GDA0003381949590000045
在反演计算中，其值随着载荷及约束条件特征参数的更新而逐渐逼近真实实验测量值，当根据反问题算法修正载荷及约束条件特征参数后，
Figure GDA0003381949590000046
基于新的载荷及约束条件特征参数进行更新迭代。当收敛条件满足时，所得的载荷和约束条件极为重构的载荷和约束条件。
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例重构过程中，先重构约束条件参数，再重构系统载荷参数，包括如下步骤：
步骤一：重构约束条件参数
步骤1：重构约束条件参数：基于实际管路和约束条件，人为施加一组已知载荷，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置已知载荷、约束条件参数初值和终止条件，对待测管路系统建立有限元模型，施加已知载荷和约束条件，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构约束条件参数，如果不满足，根据反问题算法，更新约束条件参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构约束条件参数；
步骤二：重构管路系统载荷参数
步骤1：重构管道系统载荷参数：基于实际管路、管路系统载荷和约束条件，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置重构约束条件参数、载荷初值和终止条件，对待测管路系统建立有限元模型，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构管路系统载荷参数；如果不满足，根据反问题算法，更新载荷参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构管路系统载荷参数，结束重构；
步骤三：基于重构所得载荷、约束参数和管道结构设计参数及材料，通过有限元建模求解获得管路系统的全面振动信息
如图2所示，管路系统可同时包括弯管1、直管2、法兰3、管夹4和管道连接结构5。
如图3所示，管路系统载荷6和约束条件7加载在管路系统的两端，其特征参数即为所需重构的参数。
如图4所示，由于管路系统位移较大的位置多在弯管处、管道弯折处和远离管夹约束的位置，在较大的位移处，管路振动信号的信噪比更高，因此加速度响应测点8布置在弯管处、管道弯折处和远离管夹约束的位置，此时目标函数中
Figure GDA0003381949590000051
为第m个加速度响应测点8的加速度响应实验信号，
Figure GDA0003381949590000052
为第m个加速度响应测点8的加速度响应仿真信号，加速度响应测点8的总数M为10。

Claims (4)

1.一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法，其特征在于：管路系统载荷及约束条件反演方法能够转化为最优化问题，该优化问题的目标函数为：
Figure FDA0003381949580000011
式中，ε为所有测点加速度响应的实验信号和仿真信号的残差，
Figure FDA0003381949580000012
为管路系统载荷及约束条件的参数特征向量，
Figure FDA0003381949580000013
为第m个测点加速度响应的实验信号，
Figure FDA0003381949580000014
为第m个测点的加速度响应的仿真信号，M为测点总数；具体方法为，先重构约束条件参数，再重构管路系统载荷参数，反问题算法为共轭梯度法，包括如下步骤：
步骤一：重构约束条件参数
步骤1：重构约束条件参数：基于实际管路和约束条件，人为施加一组已知载荷，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置已知载荷、约束条件参数初值和终止条件，建立有限元模型，施加已知载荷和约束条件，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构约束条件参数，如果不满足，根据反问题算法，更新约束条件参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构约束条件参数；
步骤二：重构管路系统载荷参数
步骤1：重构管道系统载荷参数：基于实际管路、管路系统载荷和约束条件，采集所有测点加速度响应的实验信号；
步骤2：设置重构约束条件参数、载荷初值和终止条件，建立有限元模型，计算得到所有测点加速度响应的仿真信号；
步骤3：计算从步骤2得到的所有测点加速度响应的仿真信号与从步骤1得到的所有测点加速度响应的实验信号之间的残差ε，判断是否满足终止条件，如果满足，则获得重构管路系统载荷参数；如果不满足，根据反问题算法，更新载荷参数，重复步骤2和步骤3，直至满足终止条件，得到最终的重构管路系统载荷参数，结束重构；
步骤三：基于重构所得载荷、约束参数和管道结构设计参数及材料，通过有限元建模求解获得管路系统的全面振动信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法，其特征在于：所述方法中的终止条件为满足仿真信号与实验振动测试信号的残差小于收敛残差或者迭代计算达到最大迭代步数。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法，其特征在于：所述方法能够综合考虑管路系统中弯管(1)、直管(2)、法兰(3)、管夹(4)以及管道连接件(5)多种组件的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限测点的管路振动全面检测预示方法，其特征在于：所述约束条件的参数总数不少于一个，且根据管路的具体服役环境选择约束条件参数。
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