CN112834093A - 多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道车辆结构应力场监测与疲劳损伤评估领域，公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法及系统，以提高转向架等目标架构关键部位监测与评估的效率。方法包括：建立该待测目标构架的三维模型；通过数值仿真获取单个荷载下最大结构应力点位置，根据最大结构应力点位置合理布设表面应力监测点，并在各表面应力监测点布设传感器分别采集各点表面应力；建立多元载荷与结构应力场重构理论模型；获取各传感器分别采集的各点表面应力数据，代入多元载荷与结构应力场重构理论模型求解重构后各评估点处结构应力；据此进行目标架构的疲劳损伤及疲劳寿命分析；各评估点包括单荷载下最大结构应力点和所有载荷源作用下的最大结构应力点。

Description

多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道车辆结构应力场监测与疲劳损伤评估领域，尤其涉及一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法及系统。

背景技术

轨道车辆长期超载运营可能使关键部位的应力幅提高，高应力发生的频次增多，这些因素可能导致车辆结构不能满足安全运用要求。高速列车结构在运行过程中总是受到变幅循环载荷的作用，其主要失效形式是疲劳损伤及疲劳裂纹的扩展。由于疲劳损伤的位置很难观测，损伤位置的应力应变无法直接测量，因此根据多点的测量数据来推测损伤位置的应力应变，进行应力场重构，对于疲劳损伤监测和疲劳寿命估计至关重要。

针对列车关键部位的应力场重构与损伤评估问题，目前尚未有成熟的理论及方法。类似的应力场重构方法中，基于经验模态分解的应力应变重构方法(如专利号：CN201510430615.2)使用经验模态分解方法从测量数据中提取模态响应，建立应力应变响应的变换方程，根据传感器测量获取某位置的测量数据来确定带测量位置的应力和应变，通过有限元的方法建立在模态坐标中两不同自由度位移响应之间关系的模态矩阵，通过求解特征值问题得到模态矩阵。该发明使现有的结构健康监测系统(SHM)的稀疏较远的应变仪能够直接用于无直接传感器测量状态下的关键点应力应变的测量，但针对需要传感器测量的关键部位应力应变的应力场重构方法尚不完善。而随着对列车关键结构部位安全性的重视程度提高，需要更简便的应力场重构解算方法，提高地铁车辆关键部位监测与评估的效率，有效快捷地保障地铁列车安全。

发明内容

本发明目的在于公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法及系统，以提高转向架等目标架构关键部位监测与评估的效率。

为达上述目的，本发明公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取待测的目标构架的几何参数和材料参数，根据所述几何参数和材料参数建立该待测目标构架的三维模型；

步骤S2、通过数值仿真获取单个荷载下最大结构应力点位置，根据所述最大结构应力点位置合理布设表面应力监测点，并在各表面应力监测点布设传感器分别采集各点表面应力；

步骤S3、通过数值仿真获取得到各表面应力监测点结构表面应力与外部所有载荷之间的第一重构系数矩阵，以及各评估点处结构应力与共同作用的外部所有载荷之间与六分量相对应的第二重构系数矩阵；根据所述第一重构系数矩阵、第二重构系数矩阵建立多元载荷与结构应力场重构理论模型，所述评估点包括单个荷载下最大结构应力点和所有载荷源同时作用下的最大结构应力点；

步骤S4、获取各所述传感器分别采集的各点表面应力数据，将相应采集数据代入所述多元载荷与结构应力场重构理论模型求解重构后的各评估点处结构应力；

步骤S5、根据重构后的各评估点处结构应力进行所述目标架构的疲劳损伤及疲劳寿命分析。

可选地，所述目标架构为转向架架构。相对应地，步骤S1所述几何参数包括：侧梁、横梁、纵向连接梁、横向减振器安装座、垂向减振器安装座及各部件安装座几何尺寸；所述材料参数包括：钢板及横梁钢管屈服极限、抗拉强度、屈服许用应力、母材疲劳许用应力、打磨焊缝疲劳许用应力、非打磨焊缝疲劳许用应力、转向架载荷。

优选地，建立多元载荷与结构应力场重构模型包括：

步骤S31、构架载荷源记为F₁、F₂、…、F_N，每一类载荷在实际运用过程中的载荷能力极限分别记为F_1MAX、F_2MAX、…、F_NMAX；纯F₁载荷作用下，结构表面应力最大点记为SURF_1#，最大结构应力点记为STRU_1#；依此类推，纯F_N载荷作用下，结构表面应力最大节记为SURF_N#，最大结构应力点记为STRU_N#；

步骤S32、考虑所有载荷源的耦合作用，当所有载荷源同时作用、且各载荷源均达到能力边界时，确定最大结构应力点记为STRU_ALL#；

步骤S33、F₁载荷作用下，通过多级加载建立载荷F₁与表面应力之间的数学表征：

S_{F1F1_SURF}、S_{F1F2_SURF}、…、S_{F1FN_SURF}分别表示载荷F₁作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；

并建立载荷F₁与结构应力之间的数学表征：

S_{F1F1_STRU}、S_{F1F2_STRU}、…、S_{F1FN_STRU}及S_{F1ALL_STRU}分别表示载荷F₁作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构应力响应；

依此类推，F_N载荷作用下，通过多级加载建立载荷F_N与表面应力之间的数学表征为：

F_N载荷作用下，通过多级加载建立载荷F_N与结构应力之间的数学表征为：

式中，S_{FNF1_SURF}、S_{FNF2_SURF}、…、S_{FNFN_SURF}分别表示载荷F_N作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；S_{FNF1_STRU}、S_{FNF2_STRU}、…、S_{FNFN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示载荷F_N作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应；

步骤S34、对于每一个表面应力监测点，实际表面应力由各载荷源激励在该监测点位置、该方向引起的表面应力组成，因此有：

式中，S_{F1_SURF}、S_{F2_SURF}、…、S_{FN_SURF}分别表示在所有外部载荷源激励下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；表示为矩阵形式为：

上式中，等式左边为实测结构表面应力，右边为表面应力-多元载荷重构系数矩阵，通过矩阵求逆即可得到多载荷源的解算值，即：

对于N+1个评估点，其结构应力由各载荷源在该评估点位置引起的结构应力组成，有：

S_{F1_STRU}、S_{F2_STRU}、…、S_{FN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示在所有外部载荷源激励下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应；表示为矩阵形式为：

联立，得到多元载荷与结构应力场重构理论模型为：

式中，j＝xx,yy,zz,xy,yz,zx的六分量，因此，等效应力的理论计算公式为：

S_{STRU_xx}、S_{STRU_yy}、S_{STRU_zz}、S_{STRU_xy}、S_{STRU_yz}、S_{STRU_zx}分别代表结构沿x、y、z方向正应力和xy、yz、zx平面剪切应力，其方向与第一主应力方向相同；其中，行车方向为纵向x向，车轴轴线方向为横向y向，垂直轨面方向为垂向z向；

其中，

即为所述第一重构系数矩阵，

即为所述第二重构系数矩阵。

为达上述目的，本发明还公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

针对列车关键损伤部位应力应变难以测量的难题，创新性地提出基于多点表面应力监测的应力场重构方法及系统，整个求解逻辑科学合理，既能求解重构后单荷载所确定的各个评估点的结构应力，又能求解重构后所有载荷源共同作用下的最大结构应力。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的转向架结构示意图。

图2是本发明实施例的多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法流程示意图。

【图号说明】

1、横向止挡座；2、空簧安装座；3、电机安装座；4、牵引拉杆座；5、横向减振器座；6、制动安装座；7、吊杆安装孔；8、对角轴颈中心。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法。

在长期超载运营的地铁列车中，转向架等关键部位关系到列车的安全运用，本实施例方法适用的对象包括但并不限于列车转向架等关键部位。

如图1所示，转向架包括横向止挡座1、空簧安装座2、电机安装座3、牵引拉杆座4、横向减振器座5、制动安装座6、吊杆安装孔7、对角轴颈中心8。其中，横向止档座1能够防止车辆在过曲线时转向架与车体的横向间隙过大，保证车辆运行时具有良好的横向平稳性；对角轴颈中心8位置安装滚动轴承，负担车辆重量，并传递各方向的动、静载荷；空簧安装座2、横向减振器座5等装置发挥减振、提高运行平稳性等作用。

如图2所示，本实施例方法包括以下步骤：

步骤S1、获取待测的目标构架的几何参数和材料参数，根据所述几何参数和材料参数建立该待测目标构架的三维模型。

在该步骤中，几何参数包括：侧梁、横梁、纵向连接梁、横向减振器安装座、垂向减振器安装座及各部件安装座几何尺寸，并规定行车方向为纵向(X向)，车轴轴线方向为横向(Y向)，垂直轨面方向为垂向(Z向)。行车方向的车轴为轴1，另外一根车轴为轴2。人员站在轴1外侧，面向转向架，左手边为转向架1位，右手边为2位；站在轴2外侧，面向转向架，右手边为3位，左手边为4位。材料参数包括：钢板及横梁钢管屈服极限σ_s、抗拉强度σ_b、屈服许用应力、母材疲劳许用应力、打磨焊缝疲劳许用应力、非打磨焊缝疲劳许用应力、转向架载荷F_i(i＝1,2…，n)。

步骤S2、通过数值仿真获取单个荷载下最大结构应力点位置，根据所述最大结构应力点位置合理布设表面应力监测点，并在各表面应力监测点布设传感器分别采集各点表面应力。

该步骤可在有限元软件中通过数值仿真获取单个荷载下最大结构应力点位置；并可采用光纤光栅传感器采集各点表面应力数据。

步骤S3、通过数值仿真获取得到各表面应力监测点结构表面应力与外部所有载荷之间的第一重构系数矩阵，以及各评估点处结构应力与共同作用的外部所有载荷之间与六分量相对应的第二重构系数矩阵；根据所述第一重构系数矩阵、第二重构系数矩阵建立多元载荷与结构应力场重构理论模型，所述评估点包括单个荷载下最大结构应力点和所有载荷源同时作用下的最大结构应力点。

该步骤建立多元载荷与结构应力场重构模型如下：

构架载荷源记为F₁、F₂、…、F_N。这N类外部载荷源，可表示为结构不同部位承受的横向、纵向、垂向及扭转载荷等，每一类载荷在实际运用过程中的载荷能力极限分别记为F_1MAX、F_{2 MAX}、…、F_NMAX。

对于N个未知外部载荷源，必定要求至少要有N个表面应力监测点方可实现载荷源的反演识别。因此，纯F₁载荷作用下，寻找结构表面应力最大的节点/单元位置及其方向，该表面应力监测点记为SURF_1#，同时确定该载荷下最大结构应力节点/单元位置，该结构应力评估点记为STRU_1#；依此类推，纯F_N载荷作用下，寻找结构表面应力最大的节点/单元位置及其方向，该表面应力监测点记为SURF_N#，同时确定该载荷下最大结构应力节点/单元位置，该结构应力评估点记为STRU_N#。由此，可得到N个表面应力监测点和N个结构应力评估点。

由于以上N个结构应力评估点均是在各自加载工况下确定的大应力值点，没有考虑所有载荷源的耦合作用，因此当所有载荷源同时作用、且各载荷源均达到其能力边界时(即F₁＝F_1MAX、F₂＝F_2MAX、…、F_N＝F_NMAX时)，确定最大结构应力节点/单元位置，该评估点结构应力记为STRU_ALL#。

F₁载荷作用下，通过多级加载建立载荷F₁-表面应力(SURF_1#～SURF_N#的N个监测点)、载荷F₁-结构应力(STRU_1#～STRU_N#、STRU_ALL#的N+1个评估点)之间的数学表征：

式中，S_{F1F1_SURF}、S_{F1F2_SURF}、…、S_{F1FN_SURF}分别表示载荷F₁作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；S_{F1F1_STRU}、S_{F1F2_STRU}、…、S_{F1FN_STRU}及S_{F1ALL_STRU}分别表示载荷F₁作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构应力响应，该结构应力在本实施例中定义为第四强度理论应力(简称为等效应力)。

依此类推，F_N载荷作用下，通过多级加载建立载荷F_N-表面应力(SURF_1#～SURF_N#的N个监测点)、载荷F_N-结构应力(STRU_1#～STRU_N#、STRU_ALL#的N+1个评估点)之间的数学表征为：

式中，S_{FNF1_SURF}、S_{FNF2_SURF}、…、S_{FNFN_SURF}分别表示载荷F_N作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；S_{FNF1_STRU}、S_{FNF2_STRU}、…、S_{FNFN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示载荷F_N作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应。

对于每一个表面应力监测点，其实际表面应力由各载荷源激励在该监测点位置、该方向引起的表面应力组成，因此有：

式中，S_{F1_SURF}、S_{F2_SURF}、…、S_{FN_SURF}分别表示在所有外部载荷源激励下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应。

式(3)表示为矩阵形式为：

式中，等式左边为实测结构表面应力，右边为表面应力-多元载荷重构系数矩阵，通过矩阵求逆即可得到多载荷源的解算值，即：

对于N+1个评估点，其结构应力(六分量)由各载荷源在该评估点位置引起的结构应力组成，因此有：

式中，S_{F1_STRU}、S_{F2_STRU}、…、S_{FN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示在所有外部载荷源激励下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应。

式(6)表示为矩阵形式为：

因此，由(5)、(7)可得到通过N个监测点表面应力计算N+1个评估点结构应力的重构理论模型如式(8)所示：

式中，i＝xx,yy,zz,xy,yz,zx的六分量，因此，等效应力的理论计算公式为：

式中，S_{STRU_xx}、S_{STRU_yy}、S_{STRU_zz}、S_{STRU_xy}、S_{STRU_yz}、S_{STRU_zx}分别代表结构沿x、y、z方向正应力和xy、yz、zx平面剪切应力，其方向与第一主应力方向相同。

值得说明的是：本实施例中的监测点和评估点非等同概念，评估点是结构上的，可能和监测点重合也可能不重合，而监测点则限于表面应力用传感器测的N个点；而评估点是有N+1个，其包括单个荷载下最大结构应力点和所有载荷源同时作用下的最大结构应力点(其可能会与单独荷载所确定的评估点位置重合)。

步骤S4、获取各所述传感器分别采集的各点表面应力数据，将相应采集数据代入所述多元载荷与结构应力场重构理论模型求解重构后的各评估点处结构应力。

步骤S5、根据重构后的各评估点处结构应力进行所述目标架构的疲劳损伤及疲劳寿命分析。

实施例2

本实施例公开一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中相对应方法的步骤。

综上，针对列车关键损伤部位应力应变难以测量的难题，本发明创新性地提出基于多点表面应力监测的应力场重构方法及系统，整个求解逻辑科学合理，既能求解重构后单荷载所确定的各个评估点的结构应力，又能求解重构后所有载荷源共同作用下的最大结构应力。而且考虑到应力分力对结构损伤的影响，建立结构应力六分量和表面应力之间映射传递关系的理论模型；更能真实的反映轨道车辆的实际受载应力状态，提供更准确的疲劳损伤评估。

1、本发明采用传感器测量及有限元方法推导出表面应力和结构应力关系转换矩阵模型，用于关键不可测点应力应变测量，避免了由于模态混叠导致的应力识别不稳定问题。

2、利用重构出的评估点等效应力，与表面实测应力对比分析，证实重构后各评估点的等效应力数据更能准确地反应构架实际受载状态，并利用重构后各评估点的等效应力数据为关键点提供更加准确的疲劳损伤评估。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、获取待测的目标构架的几何参数和材料参数，根据所述几何参数和材料参数建立该待测目标构架的三维模型；

步骤S2、通过数值仿真获取单个荷载下最大结构应力点位置，根据所述最大结构应力点位置合理布设表面应力监测点，并在各表面应力监测点布设传感器分别采集各点表面应力；

步骤S3、通过数值仿真获取得到各表面应力监测点结构表面应力与外部所有载荷之间的第一重构系数矩阵，以及各评估点处结构应力与共同作用的外部所有载荷之间与六分量相对应的第二重构系数矩阵；根据所述第一重构系数矩阵、第二重构系数矩阵建立多元载荷与结构应力场重构理论模型，所述评估点包括单个荷载下最大结构应力点和所有载荷源同时作用下的最大结构应力点；

步骤S4、获取各所述传感器分别采集的各点表面应力数据，将相应采集数据代入所述多元载荷与结构应力场重构理论模型求解重构后的各评估点处结构应力；

步骤S5、根据重构后的各评估点处结构应力进行所述目标架构的疲劳损伤及疲劳寿命分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标架构为转向架架构。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述几何参数包括：侧梁、横梁、纵向连接梁、横向减振器安装座、垂向减振器安装座及各部件安装座几何尺寸；所述材料参数包括：钢板及横梁钢管屈服极限、抗拉强度、屈服许用应力、母材疲劳许用应力、打磨焊缝疲劳许用应力、非打磨焊缝疲劳许用应力、转向架载荷。

4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，建立多元载荷与结构应力场重构模型包括：

步骤S31、构架载荷源记为F₁、F₂、…、F_N，每一类载荷在实际运用过程中的载荷能力极限分别记为F_1MAX、F_2MAX、…、F_NMAX；纯F₁载荷作用下，结构表面应力最大点记为SURF_1#，最大结构应力点记为STRU_1#；依此类推，纯F_N载荷作用下，结构表面应力最大节记为SURF_N#，最大结构应力点记为STRU_N#；

步骤S32、考虑所有载荷源的耦合作用，当所有载荷源同时作用、且各载荷源均达到能力边界时，确定最大结构应力点记为STRU_ALL#；

步骤S33、F₁载荷作用下，通过多级加载建立载荷F₁与表面应力之间的数学表征：

S_{F1F1_SURF}、S_{F1F2_SURF}、…、S_{F1FN_SURF}分别表示载荷F₁作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；

并建立载荷F₁与结构应力之间的数学表征：

S_{F1F1_STRU}、S_{F1F2_STRU}、…、S_{F1FN_STRU}及S_{F1ALL_STRU}分别表示载荷F₁作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构应力响应；

依此类推，F_N载荷作用下，通过多级加载建立载荷F_N与表面应力之间的数学表征为：

F_N载荷作用下，通过多级加载建立载荷F_N与结构应力之间的数学表征为：

式中，S_{FNF1_SURF}、S_{FNF2_SURF}、…、S_{FNFN_SURF}分别表示载荷F_N作用下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；S_{FNF1_STRU}、S_{FNF2_STRU}、…、S_{FNFN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示载荷F_N作用下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应；

步骤S34、对于每一个表面应力监测点，实际表面应力由各载荷源激励在该监测点位置、该方向引起的表面应力组成，因此有：

式中，S_{F1_SURF}、S_{F2_SURF}、…、S_{FN_SURF}分别表示在所有外部载荷源激励下，N个监测点SURF_1#～SURF_N#表面应力响应；表示为矩阵形式为：

上式中，等式左边为实测结构表面应力，右边为表面应力-多元载荷重构系数矩阵，通过矩阵求逆即可得到多载荷源的解算值，即：

对于N+1个评估点，其结构应力由各载荷源在该评估点位置引起的结构应力组成，有：

S_{F1_STRU}、S_{F2_STRU}、…、S_{FN_STRU}及S_{FNALL_STRU}分别表示在所有外部载荷源激励下，N+1个评估点STRU_1#～STRU_N#及STRU_ALL#的结构等效应力响应；表示为矩阵形式为：

联立，得到多元载荷与结构应力场重构理论模型为：

式中，j＝xx,yy,zz,xy,yz,zx的六分量，因此，等效应力的理论计算公式为：

S_{STRU_xx}、S_{STRU_yy}、S_{STRU_zz}、S_{STRU_xy}、S_{STRU_yz}、S_{STRU_zx}分别代表结构沿x、y、z方向正应力和xy、yz、zx平面剪切应力，其方向与第一主应力方向相同；其中，行车方向为纵向x向，车轴轴线方向为横向y向，垂直轨面方向为垂向z向；

其中，

即为所述第一重构系数矩阵，

即为所述第二重构系数矩阵。

5.一种多点表面应力监测的应力场重构与损伤评估系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4任一所述方法的步骤。

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