CN112989491A - 基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统 - Google Patents

基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统，获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上；其中，全场应变值的计算，包括：根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值；本公开基于弹性力学原理，运用线性叠加手段，通过提取应变等力学参数，建立了载荷与应变重构模型，实现了横梁结构的准确重构。

Description

基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统
技术领域
本公开涉及应变场重构技术领域，特别涉及一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
铝合金材料因其具有质量轻、比强度高和比刚度高等优良性能，为航空航天、铁路运输、桥梁建设等领域的轻量化、使用寿命及环境适应性问题提供了可行的解决方案，在现代材料应用体系中拥有着重要的位置。
在铝合金承重结构中，横梁是承载车体重量和吊挂车下设备的重要部件，已成为高速列车底架构件中最为广泛的承重部件。在列车行驶过程中，横梁不可避免地承受振动，侧向，垂向等力学作用，使得横梁结构易发生变形乃至疲劳断裂，直接影响到列车的运行安全。而应变反应了结构的强度，结构的失效通常和应变状态有关，通过分析结构的应变，还可以监测结构的疲劳和裂纹。因此，对铝合金横梁结构开展应变场重构，对结构的安全评估具有重要意义。
发明人发现，目前国内外逐渐开展了对应变场重构算法的研究，主要包括基于测量应变的模态叠加法、几何插值法、以及逆有限元法三种常用方法。其中，模态叠加法在重构方面的应用较多，并且所需要的应变传感器数量也最少，但其缺点在于需要事先对结构进行模态分析，且模态分析的阶数对变形场重构精度影响较大；几何插值法将板梁结构等间距分段，通过分段线性函数或非线性函数来进行应变插值，重构结构应变状态曲线，但不适合复杂结构的应变重构；逆有限元法因其求解速度快，且算法不依赖材料属性与外载荷性质。但当被测对象尺寸大时所需传感器数量过多，限制了其工程实用性与应用范围。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法及系统，基于弹性力学原理，运用线性叠加手段，通过提取应变等力学参数，建立了载荷与应变重构模型，实现了横梁结构的准确重构。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：包括以下过程：
获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；
根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上，用于横梁应变场的可视化更新；
其中，全场应变值的计算，包括：
根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值。
进一步的，将横梁划分为多个有限元单元节点，对横梁进行载荷标定，划分为多个载荷加载区域，采用静力学加载，对每个载荷加载区域施加集中力载荷；
采集处于横梁表面不同应变集中区域的单元网格节点应变响应信号，建立不同载荷作用下的有限单元节点的应变响应矩阵以及全场应变响应矩阵。
进一步的，横梁有限元模型的单元网格节点，包括：单元数量和类型、节点数以及节点连接顺序。
进一步的，横梁表面应变数据根据设置在横梁结构表面以每个圆孔上下对称布置光纤光栅传感网络获取。
进一步的，根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，建立载荷应变线性叠加函数，根据载荷应变线性叠加函数，得到应变权值。
更进一步的，有限单元节点的个数大于或等于载荷数量。
进一步的，将全场应变响应矩阵与应变权值相乘，得到全场应变值。
一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；
可视化更新模块，被配置为：根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上，用于横梁应变场的可视化更新；
其中，全场应变值的计算，包括：
根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开针对模态叠加法模态阶数选取、模态试验测试困难问题，提出了一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构三维可视化监测技术，利用弹性力学线性叠加原理，通过提取应变等力学参数，建立载荷与应变重构模型，对铝合金材料横梁结构进行了准确的应变场重构，适用于大型复杂结构的应变状态监测，同时为实现横梁垂直载荷等计算与疲劳寿命预测提供技术支撑。
2、本公开联合FBG传感器测量技术和线性叠加方法，对于横梁结构应变监测效果更为显著、准确，FBG传感器测量技术对于结构的应变监测更为灵敏，线性叠加法适用范围更广，且能够排除模态叠加法的阶数选取以及试验模态测试困难的问题，基于FBG传感器测量技术和线性叠加法所构建的横梁所受载荷与应变之间关联性更加准确、紧密，同时实现结构全场应变监测，弥补了传感器粘贴数量不足，极大降低了列车运行风险和维护维修成本，具有广阔前景和较高的工程应用价值。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的基于载荷应变线性叠加的横梁应变场重构三维可视化方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的有限节点的应变响应矩阵以及结构全场应变矩阵的建立方法示意图。
图3为本公开实施例1提供的FBG应变传感器网络搭建示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种基于载荷应变线性叠加的横梁应变场重构三维可视化方法，包括以下步骤：
步骤一：对横梁结构进行单元网格划分并进行载荷区域标定，以5000N的集中力为基准，提取载荷不同施加位置作用下的单元节点应变，组成不同载荷位置作用下的有限点的应变矩阵并建立全场应变响应矩阵；
步骤二：根据有限元模拟结果，在横梁结构表面以每个圆孔上下对称布置的方式构建光纤光栅传感网络；
步骤三：采集静载荷下横梁表面光纤光栅传感器(FBG)应变值，得出应变响应列向量；
步骤四：根据弹性力学理论中线性叠加原理，建立载荷应变线性叠加函数，将应变响应列向量与模拟得到的有限点的应变矩阵导入载荷应变线性叠加函数，求解得到应变权值；
步骤五：将应变权值与全场应变响应矩阵相乘，得到静载荷工况下的全场应变值；
步骤六：将全场应变值映射到单元网格节点上，并根据实际载荷工况下的集中力，实时刷新应变权值，实现应变重构的三维可视化。
具体的，包括以下内容：
步骤一中，有限节点的应变响应矩阵以及结构全场应变矩阵的建立
将横梁划分为N个有限元单元节点，每个单元为C3D8R六面体网格，对横梁进行载荷标定，共划分为24个载荷加载区域，采用静力学加载的方法，对每个载荷加载区域施加集中力载荷，采集处于横梁表面不同应变集中区域的单元网格节点应变响应信号，建立不同载荷作用下的50个单元节点的应变响应矩阵
Figure BDA0002999258630000061
以及结构全场应变矩阵
Figure BDA0002999258630000062
如图2所示。具体为：
Figure BDA0002999258630000063
式中，
Figure BDA0002999258630000064
为结构在单个载荷依次施加下的载荷应变矩阵，M为有限节点的个数；n为载荷数
横梁模型在载荷作用下所有点的应变响应可表示为：
Figure BDA0002999258630000071
式中，
Figure BDA0002999258630000072
为n个单独载荷下的全场应变矩阵，N为全场应变节点的个数。
读取有限元单元网格节点文件，包括：单元数量、类型，节点数节点连接顺序。
步骤二中，搭建光纤光栅应变传感器网络
在横梁结构表面以每个圆孔上下对称布置的方式构建光纤光栅传感网络，如图3所示；具体为：
选用3个光纤传感通道，通道1：FBG1～FBG18，通道2：FBG19～FBG36，通道3：FBG37～FBG50。50个等距离平行布置的FBG传感器FBG1～FBG50分别均匀粘贴于横梁结构表面；定义横梁的相邻边长分别为X、Y轴，建立一个二维直角坐标系；FBG传感器FBG1～FBG50按数字编号大小顺序从右往左、从上往下排成两行、25列均匀分布。50个FBG传感器沿轴向粘贴且平行于Y轴，传感器依次连接，构建分布式光纤传感网络。
步骤三中，静载下的应变响应列向量的建立
采集静载荷作用下的横梁表面光纤光栅传感器(FBG)测得的应变值，建立50个FBG传感器测量应变组成的应变响应列向量εM＝[ε1 ε2 … εM]。
步骤四中，建立载荷应变线性叠加函数，求解应变权值
根据弹性力学线性叠加原理，由步骤一得到的应变响应矩阵
Figure BDA0002999258630000073
和步骤三得到的应变响应列向量εM，建立载荷应变线性叠加函数：
Figure BDA0002999258630000081
式中，ωn为应变权值；
当M<n时，ωn有无穷解，为了避免出现这种情况，测量点的数量(M)不能小于载荷的数量(n)，当M＝n时，应变权值ωn可以直接通过矩阵求逆得到：
Figure BDA0002999258630000082
当M>n时，矩阵
Figure BDA0002999258630000083
不是方阵，将式(3)等号两边同时乘以
Figure BDA0002999258630000084
得到以下方程：
Figure BDA0002999258630000085
进一步化简得到：
Figure BDA0002999258630000086
步骤五中，横梁结构应变场重构
根据步骤四中的载荷应变线性叠加函数，将全场应变响应矩阵
Figure BDA0002999258630000087
与应变权值ωn相乘，得到静载荷工况下的全场应变值εN：
Figure BDA0002999258630000088
步骤六中，应变场重构三维可视化
根据FBG测量得到的实时应变数据，结合横梁仿真模型(单元节点信息，包括：单元数量、单元类型，节点数、节点连接顺序)，对结构测量应变与模拟应变进行分析，实时更新应变权值，重构出结构应变场信息，并在计算机或者其他带有显示模块的电子设备上显示主应变、X方向、Y方向和Z方向应变场信息。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；
可视化更新模块，被配置为：根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上，用于横梁应变场的可视化更新；
其中，全场应变值的计算，包括：
根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值。
所述系统的工作方法与实施例1提供的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：包括以下过程：
获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；
根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上，用于横梁应变场的可视化更新；
其中，全场应变值的计算，包括：
根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值。
2.如权利要求1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
将横梁划分为多个有限元单元节点，对横梁进行载荷标定，划分为多个载荷加载区域，采用静力学加载，对每个载荷加载区域施加集中力载荷；
采集处于横梁表面不同应变集中区域的单元网格节点应变响应信号，建立不同载荷作用下的有限单元节点的应变响应矩阵以及全场应变响应矩阵。
3.如权利要求1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
横梁有限元模型的单元网格节点，包括：单元数量和类型、节点数以及节点连接顺序。
4.如权利要求1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
横梁表面应变数据根据设置在横梁结构表面以每个圆孔上下对称布置光纤光栅传感网络获取。
5.如权利要求1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，建立载荷应变线性叠加函数，根据载荷应变线性叠加函数，得到应变权值。
6.如权利要求5所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
有限单元节点的个数大于或等于载荷数量。
7.如权利要求1所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法，其特征在于：
将全场应变响应矩阵与应变权值相乘，得到全场应变值。
8.一种基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化系统，其特征在于：包括：
数据获取模块，被配置为：获取横梁参量数据和横梁表面应变数据；
可视化更新模块，被配置为：根据获取的数据，得到全场应变值，将全场应变值映射到横梁有限元模型的单元网格节点上，用于横梁应变场的可视化更新；
其中，全场应变值的计算，包括：
根据横梁表面应变数据得到应变响应列向量；根据获取的横梁参量数据，得到有限单元节点的应变响应矩阵和结构全场应变响应矩阵；根据应变响应列向量和有限单元节点的应变响应矩阵，得到应变权值；根据全场应变响应矩阵和应变权值，得到静载荷工况下的全场应变值。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于载荷应变线性叠加的应变场重构可视化方法中的步骤。
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