CN113504038B - 一种工程装备臂架结构损伤评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工程装备臂架结构损伤评估方法，属于工程装备领域，该方法包括如下步骤：(1)臂架结构加速度载荷的预处理；(2)通过臂架应力的相对损伤谱与功率谱密度确定臂架应力频域响应的最大频率，用以后续计算该频率内加速度载荷的疲劳损伤谱；(3)加速度载荷疲劳损伤谱的计算；(4)臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射求解。本发明提供一种工程装备臂架结构的损伤评估方法，以部分解决上述提出大型结构应变测取困难，损伤评估复杂的问题。

Description

一种工程装备臂架结构损伤评估方法
技术领域
本发明属于设计工程装备领域，具体地涉及一种工程装备臂架结构损伤评估方法。
背景技术
新常态下，随着基础建设的发展，工程装备的需求越来越大。复杂的作业环境与繁重任务对工程装备的可靠性提出更高的要求，特别是臂架结构的可靠性或疲劳破坏受到越来越多的重视。带有臂架结构的工程装备，例如装载机、越野叉车、混凝土泵车、起重机和堆高机等臂架结构的损伤评估，是工程装备安全、高效作业的前提。
现有技术通过测取臂架结构上的应变载荷评估结构的损伤。然而，大型工程装备臂架结构的应变实时测取工作复杂；结构损伤相关的传感器元件布置与数据采集困难。
因此，通过安装、布置尽可能少的传感器，获取易于测取的信号，依据信号处理与分析得到臂架结构的损伤评估方法，是更有效的工程应用方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种工程装备臂架结构的损伤评估方法，以部分解决上述提出大型结构应变测取困难，损伤评估复杂的问题。
本发明目的的技术解决方案如下：
步骤1 臂架结构加速度载荷的预处理
通过加速度传感器获取工程装备臂架结构的加速度载荷，假设加速度载荷由两部分组成，包括平稳项与非线性的低频趋势项，并通过平滑先验法去除信号非线性趋势。
步骤2 通过臂架应力的相对损伤谱与功率谱密度确定臂架应力频域响应的最大频率，用以后续计算该频率内加速度载荷的疲劳损伤谱
步骤2-1 所述的臂架应力相对损伤谱计算步骤包括：
(a)用滤波器对应力载荷进行滤波，提取所需频带；
(b)使用传统的应力-寿命(S-N)方法和雨流循环计数算法计算滤波应力载荷的损伤(此时，计算的是伪损伤，即确定S-N曲线的斜率和截距)；
(c)在损伤与频率图上绘制产生的损伤值。
(d)选择一个新的频带，重复步骤(b)的过程，直到遍历所需的频率范围。
步骤2-2 基于快速傅里叶变换方法，可以计算得到应力载荷的功率谱密度。
步骤3 加速度载荷疲劳损伤谱的计算
疲劳损伤谱是计算加速度载荷在单自由系统下，各频率产生的疲劳损伤，具体地，所述疲劳损伤谱计算包括以下步骤：
步骤3-1 滤波得到各频率fn响应的加速度载荷；
步骤3-2 对响应加速度载荷两次积分，得到相关联的响应位移载荷z(fn)；
步骤3-3 基于响应位移载荷可以计算相关联的响应应力载荷σ(fn)：
σ(fn)＝K·z(fn) (1)
式中，K为材料常数，表示响应位移载荷与响应应力载荷间的关系。
步骤3-4 计算响应应力载荷的损伤值，所述响应应力载荷的损伤计算步骤如下：
(a)通过雨流计数法统计响应应力载荷的均值与幅值；
(b)依据Goodman等效方法，将响应应力载荷的均值等效到幅值上；
(c)采用Miner准则计算响应应力载荷的损伤，所示模型为：
Figure GDA0003904013040000021
式中参数的含义为：D为总损伤；ni表示第i级载荷下的循环次数；Ni表示第i级载荷下的疲劳寿命；n表示变幅载荷的应力水平级数；
(d)重复步骤3-4(a)～步骤3-4(c)，得到计算加速度载荷疲劳损伤谱的模型：
Figure GDA0003904013040000022
式中参数的含义为：FDS(fn)表示加速度载荷的疲劳损伤谱；zi(fn)表示响应位移载荷的幅值载荷；A为材料的比例常数；b为材料的损伤指数，与构件表面的光滑程度相关；ni(fn)表示fn响应频率下第i级载荷下的循环次数。
步骤3-5 重复步骤3-1～步骤3-4，遍历所有频率，加和得到总的加速度载荷的疲劳损伤。
步骤4 臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射求解
截取同时采集臂架结构加速度载荷与应变载荷的一段数据，计算步骤3下加速度载荷的疲劳损伤谱的和与步骤3-5模型下应力载荷的损伤，将其绘制在横坐标为加速度载荷疲劳损伤谱，纵坐标为应力载荷的损伤的二维坐标中，遍历截取多段数据，拟合得到臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射关系。
优选的，计算加速度载荷计算疲劳损伤谱的最大频率有步骤2计算应变载荷的相对损伤谱与功率谱密度得到。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明建立了臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射模型，考虑了加速度载荷疲劳损伤谱，可以由臂架结构的加速度载荷映射到应力载荷上，形成结构的损伤评估；(2)本发明考虑了应力载荷的功率谱密度与相对损伤谱，得到的应力载荷最大响应频率能更准确、高效的计算加速度载荷的疲劳损伤谱；(3)本发明通过同时截取加速度载荷与应力载荷，依据加速度载荷的疲劳损伤谱的加和，能准确评估阶段的臂架结构应力损伤，能简单、有效的用于结构损伤评估。
附图说明
图1为本发明的一种工程装备臂架结构损伤评估方法的步骤流程图；
图2为应力载荷相对损伤谱计算流程图；
图3为臂架应力频域响应的最大频率确定流程图；
图4加速度载荷疲劳损伤谱的计算流程图；
图5为臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射关系示意图。
具体实施方式
结合图1，一种工程装备臂架结构损伤评估
方法，包括以下步骤：
步骤1 臂架结构加速度载荷的预处理
通过加速度传感器获取工程装备臂架结构的加速度载荷，假设加速度载荷由两部分组成，包括平稳项与非线性的低频趋势项，并通过平滑先验法去除信号非线性趋势。常用的参数辨识算法是最小二乘估计，而平滑先验法采用的是一种更为通用的参数估计算法，即正则化最小二乘法。
步骤2 通过臂架应力的相对损伤谱与功率谱密度确定臂架应力频域响应的最大频率，用以后续计算该频率内加速度载荷的疲劳损伤谱
步骤2-1 所述的臂架应力相对损伤谱计算步骤包括，如图2的示意图所示：
(a)用滤波器对应力载荷进行滤波，提取所需频带；
(b)使用传统的应力-寿命(S-N)方法和雨流循环计数算法计算滤波应力载荷的损伤(此时，计算的是伪损伤，即确定S-N曲线的斜率和截距)；
(c)在损伤与频率图上绘制产生的损伤值；
(d)选择一个新的频带，重复步骤2-1(b)的过程，直到遍历所需的频率范围。
本实施例中，斜率为-1，截距为3，在评估伪损伤时，计算不同应力载荷采用相同的截距和斜率就能给出损伤的相对差别，这是比较不同应力载荷严重程度的一种通用方法，在工程实际中广泛应用。
步骤2-2 基于快速傅里叶变换方法，可以计算得到应力载荷的功率谱密度；
本实施例中，求解应力载荷的功率谱密度方法为周期图法：对于长度为N的序列x(n)，其傅里叶变换为X(k)，那么x(n)在每个频率(或k)处的功率可以表示为X(k)平方与N的比值。
具体地，通过相对损伤谱与功率谱密度确定臂架应力频域响应的最大频率流程如示意图3所示；
本实施例中，最终确定的最大频率为5Hz。
步骤3 加速度载荷疲劳损伤谱的计算
疲劳损伤谱是计算加速度载荷在单自由系统下，各频率产生的疲劳损伤，具体地，所述疲劳损伤谱计算包括以下步骤，具体步骤如示意图4所示：
步骤3-1 通过单自由度系统，滤波得到各频率fn响应的加速度载荷；
步骤3-2 对响应加速度载荷两次积分，得到相关联的响应位移载荷z(fn)；
步骤3-3 基于响应位移载荷可以计算相关联的响应应力载荷σ(fn)：
σ(fn)＝K·z(fn) (1)
式中，K为材料常数，表示响应位移载荷与响应应力载荷间的关系；
本实施例中K取1，这是通用的简化方法，即在计算响应位移载荷的损伤与等效时能采用应力载荷的的等效方法，又能简化计算；
步骤3-4 计算响应应力载荷的损伤值，所述响应应力载荷的损伤计算步骤如下：
(a)通过雨流计数法统计响应应力载荷的均值与幅值；
(b)依据Goodman等效方法，将响应应力载荷的均值等效到幅值上；
(c)采用Miner准则计算响应应力载荷的损伤，所示模型为：
Figure GDA0003904013040000041
式中参数的含义为：D为总损伤；ni表示第i级载荷下的循环次数；Ni表示第i级载荷下的疲劳寿命；n表示变幅载荷的应力水平级数；
(d)重复步骤3-4(a)～步骤3-4(c)，得到计算加速度载荷疲劳损伤谱的模型：
Figure GDA0003904013040000042
式中参数的含义为：FDS(fn)表示加速度载荷的疲劳损伤谱；zi(fn)表示响应位移载荷的幅值载荷；A为材料的比例常数；b为材料的损伤指数，与构件表面的光滑程度相关；ni(fn)表示fn响应频率下第i级载荷下的循环次数；
本实施例中b取3，b是材料的损伤指数，由式(3)可知，b的取值越大，大载荷所考虑的损伤占比越多，忽略了小载荷的影响；b的取值小，则忽略了小载荷的作用，综合考虑，本实施例中选取b为3。
步骤3-4 重复步骤3-1～步骤3-4，遍历所有频率，加和得到总的加速度载荷的疲劳损伤。
在本实施例中，加速度载荷的疲劳损伤加和，即选取不同的频率得到的疲劳损伤加在一起，选取的频率为1-5Hz，计算的间隔为0.2Hz，加和各频率计算的疲劳损伤，即得到最终的加速度载荷疲劳损伤和。
步骤4 臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射求解
截取同时采集臂架结构加速度载荷与应变载荷的一段数据，计算步骤3下加速度载荷的疲劳损伤谱的和与步骤3-4(c)模型下应力载荷的损伤，将其绘制在横坐标为加速度载荷疲劳损伤谱，纵坐标为应力载荷的损伤的二维坐标中，遍历截取多段数据，拟合得到臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射关系，两者映射结果如示意图5所示。
由图5可知，可以拟合得到臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射关系，该映射关系可以用以分析实际的加速度载荷，评估各时间阶段的臂架结构损伤，并且各阶段的结构损伤可用于结构的损伤评估，例如，出现较大的异常值，可以揭示工程装备作业载荷，作业环境或臂架结构一定的结构破坏。

Claims (1)

1.一种工程装备臂架结构损伤评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1臂架结构加速度载荷的预处理；
步骤2通过臂架应力的相对损伤谱与功率谱密度确定臂架应力频域响应的最大频率，用以后续计算该频率内加速度载荷的疲劳损伤谱；
步骤3加速度载荷疲劳损伤谱的计算；
步骤4臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射求解；
其中，步骤1中臂架结构加速度载荷的预处理的方法为：通过加速度传感器获取工程装备臂架结构的加速度载荷，并去除信号非线性趋势；
步骤2中所述的臂架应力相对损伤谱计算步骤包括：
(a)用滤波器对应力载荷进行滤波，提取所需频带；
(b)使用传统的应力-寿命方法和雨流循环计数算法计算滤波应力载荷的损伤；
(c)在损伤与频率图上绘制产生的损伤值；
(d)选择一个新的频带，重复步骤(b)的过程，直到遍历所需的频率范围；
所述的功率谱密度基于快速傅里叶变换方法计算得到；
步骤3中疲劳损伤谱是计算加速度载荷在单自由系统下，各频率产生的疲劳损伤，具体括以下步骤：
步骤3-1通过单自由度系统，滤波得到各频率fn响应的加速度载荷；
步骤3-2对响应加速度载荷两次积分，得到相关联的响应位移载荷z(fn)；
步骤3-3基于响应位移载荷可以计算相关联的响应应力载荷σ(fn)：
σ(fn)＝K·z(fn) (1)
式中，K为材料常数，表示响应位移载荷与响应应力载荷间的关系；
步骤3-4计算响应应力载荷的损伤值，
步骤3-5重复步骤3-1～步骤3-4，遍历所有频率，加和得到总的加速度载荷的疲劳损伤；
步骤3-4中所述响应应力载荷的损伤计算步骤如下：
(a)通过雨流计数法统计响应应力载荷的均值与幅值；
(b)依据Goodman等效方法，将响应应力载荷的均值等效到幅值上；
(c)采用Miner准则计算响应应力载荷的损伤，所示模型为：
Figure FDA0003904013030000011
式中参数的含义为：D为总损伤；ni表示第i级载荷下的循环次数；Ni表示第i级载荷下的疲劳寿命；n表示变幅载荷的应力水平级数；
(d)重复步骤3-4(a)～步骤3-4(c)，得到计算加速度载荷疲劳损伤谱的模型：
Figure FDA0003904013030000021
式中参数的含义为：FDS(fn)表示加速度载荷的疲劳损伤谱；zi(fn)表示响应位移载荷的幅值载荷；A为材料的比例常数；b为材料的损伤指数，与构件表面的光滑程度相关；ni(fn)表示fn响应频率下第i级载荷下的循环次数；
步骤4中臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射求解，具体步骤为：
截取同时采集臂架结构加速度载荷与应变载荷的一段数据，计算步骤3下加速度载荷的疲劳损伤谱的和与步骤3-4(c)模型下应力载荷的损伤，将其绘制在横坐标为加速度载荷疲劳损伤谱，纵坐标为应力载荷的损伤的二维坐标中，遍历截取多段数据，拟合得到臂架结构加速度载荷与应力载荷的映射关系。
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