CN113591014A - 一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，包括：设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布；根据应变值分布，计算各测点位置对应的曲率半径；对比并判断原板梁和对照实验组板梁的各测点位置对应的曲率半径是否满足判断标准；若满足，则标记对应测点位置并根据其限定的梁段范围在整个的板梁梁段中的分布情况进行损伤区段判断，完成裂纹的区域识别。本发明通过对均衡布置板梁进行单元划分并合理布置应变片，实现对裂纹区段的有效识别，进而根据板梁弯曲理论参数推理获得裂纹所在的板梁区域，便于企业对裂纹区段的强度改善。

Description

一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法

技术领域

本发明涉及结构故障测试分析的技术领域，尤其涉及一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法。

背景技术

板梁结构在电力、土木、机械工程等多个专业领域中应用广泛，是国家重大装备支撑力量的关键和基础，板梁结构时常处于高温、高湿、高速、超载和循环疲劳腐蚀等复杂环境下，一旦板梁结构出现裂纹损伤时，机械装备的稳定性、安全性和舒适性都会受到影响，甚至会出现机毁人亡的事故。

在过去的结构故障分析上，国内外的专家对板梁结构裂纹等损伤都提出很多故障的诊断技术，例如基于EEMD算法的定位技术、基于Lamb波的梁架构裂纹损伤识别技术等；然而，当前关于裂纹识别或定位问题研究大多是基于图像数据或信号数据特征提取的源算法的诊断技术，实践过程复杂，调试周期和强度较大，且需要的测试设备的复杂度和成本过高，对于小型生产企业而言过于昂贵，缺乏一种直接、简单、快速有效，成本低廉的测试手段。

大型板梁大多数都是较为笨重的装备，在实际外界环境中，由于高湿、高温、高盐、循环冲击的复杂作用的影响，板梁内部也很容易产生裂纹，因此现有的裂纹图像识别方法往往仅对明显裂纹进行分析，因此也亟需一种有效、简单和易实施的方法对内部裂纹区域进行识别。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有技术缺乏一种直接、简单、快速有效，成本低廉的测试手段，以及无法对内部裂纹区域进行识别。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布；根据所述应变值分布，计算所述各测点位置对应的曲率半径；对比并判断所述原板梁和对照实验组板梁的各测点位置对应的曲率半径是否满足判断标准；若满足，则标记对应测点位置并根据其限定的梁段范围在整个的板梁梁段中的分布情况进行损伤区段判断，完成裂纹的区域识别。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：所述设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布包括，定义原空间平衡桁架板梁与对照实验组板梁结构属性相同，以板梁底部中心点为节圆的圆心，将离所述圆心位置距离相同的节点归纳为一组，按照各组对应测点与梁截面中性轴之间的纵向尺寸，将所述原板梁和对照板梁划分为同等数量，尺寸相同的若干组合单元，并依次记为l₁，l₂，l₃，…l_n，在所述原板梁和对照试验组划分的组合结构单元的各周向角点上均匀设有测点，在每个测点上贴附有应变片，各组应变片在空间方向和位置上保持同向和同距分布；在所述空间平衡桁架板梁的中间区域的底部在垂直施加同向、幅度相等的静态作用力，分别测取各应变片上的应变值。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：所述各测点位置上的应变值分布包括，对于特定位置上应变片的信号取三次执行结果的平均值，三次执行结果值分别记为ε₁，ε₂，ε₃：

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：计算所述各测点位置对应的曲率半径包括，根据弯曲梁弯曲变形公式统计其他测点位置上的应变值,并基于所述应变值计算出所述各测点位置对应的曲率半径：

其中，M_i(x)为激励中心对称两侧测点位置上的弯矩，k_i为各测点的弯曲刚度，ρ_li为第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：所述第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径包括，

其中，ε_i为第i组测点位置处对应的应力值，l_i为i组测点与板梁底部中心点之间的距离。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：所述判断标准包括，定义原板梁上第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径为ρ_oi，若ρ_oi≈ρ_li，则继续前行判断，若ρ_oi＞＞ρ_li或ρ_oi＜＜ρ_li，则标记对应测点位置。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：所述损伤区段判断包括，若所述标记对应测点位置限定的梁段范围在整个的板梁梁段中呈现独立分布，则停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段；若标记对应测点位置限定的梁段范围分散随机或因曲率半径大小差量过小时，即差量值≤3％，则加大半径对比的量度或同单位量级下的量程值，直到出现明显的由独立标记对应测点位置限定的梁段范围时停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段。

作为本发明所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的一种优选方案，其中：包括，所述原板梁和对照实验组板梁结构、参数属性和约束条件需保持一致。

本发明的有益效果：本发明是为避免现有技术存在的不足，提供了一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，通过对均衡布置板梁进行单元划分并合理布置应变片，实现对裂纹区段的有效识别，进而根据板梁弯曲理论参数推理获得裂纹所在的板梁区域，便于企业对裂纹区段的强度改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的基本流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的空间平衡桁架原板梁应变测试试验的正等轴侧视图；

图3为本发明一个实施例提供的一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的空间平衡桁架对照板梁实验件应变测试试验的正等轴侧视图；

图4为本发明一个实施例提供的一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法的实验结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，包括：

S1：设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布；

具体的，定义原空间平衡桁架板梁与对照实验组板梁结构属性相同，其参数属性和约束条件等要保持一致，以减小误差产生，以板梁底部中心点为节圆的圆心(记为o)，将离圆心位置距离相同的节点归纳为一组，按照各组对应测点与梁截面中性轴之间的纵向尺寸，将原板梁和对照板梁划分为同等数量，尺寸相同的若干组合单元，并依次记为l₁，l₂，l₃，…l_n，在原板梁和对照试验组划分的组合结构单元的各周向角点上均匀设有测点(共8个)，在每个测点上贴附有应变片，各组应变片在空间方向和位置上保持同向和同距分布，其中，组合单元的划分需要以静载荷力所处为激励点位置为基准，在垂向方向上向两侧的半板梁尺寸进行合理划分，各组合单元尺寸大小应保持一致。

在空间平衡桁架板梁的中间区域的底部在垂直施加同向、幅度相等的静态作用力，分别测取各应变片上的应变值。

S2：根据应变值分布，计算各测点位置对应的曲率半径；

具体的，按照梁弯曲变形理论，计算各结构单元各测点位置和中心点位之间的距离，换算以中心点为圆心的等效曲率半径；

更加具体的，对原板梁和对照试验组板梁的底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布，试验分三次执行，对于特定位置上应变片的信号取三次执行结果(分别记为ε₁，ε₂，ε₃)的平均值，以减小人为因素引起的误差干扰，即：

进一步的，引入弯曲梁弯曲变形公式，静力载荷激励点对称两侧的对应测点位置的理论弯矩应保持相等，裂纹损伤的存在会增加裂纹附加刚度矩阵，从而改变曲率半径值，依据此特性，按照步骤S1，统计其他测点位置上的应变值,并依此按照公式下列计算出各测点位置对应的曲率半径：

其中，M_i(x)为激励中心对称两侧测点位置上的弯矩，k_i为各测点的弯曲刚度，ρ_li为第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径，其中，ε_i为第i组测点位置处对应的应力值，l_i为i组测点与板梁底部中心点之间的距离。

S3：对比并判断原板梁和对照实验组板梁的各测点位置对应的曲率半径是否满足判断标准；

具体的，执行同样步骤S1和步骤S2，记原板梁上第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径为ρ_oi，若ρ_oi≈ρ_li，则继续前行判断，若ρ_oi＞＞ρ_li或ρ_oi＜＜ρ_li，则标记对应测点位置。

S4：若满足，则标记对应测点位置并根据其限定的梁段范围在整个的板梁梁段中的分布情况进行损伤区段判断，完成裂纹的区域识别。

具体的，若标记对应测点位置限定的梁段范围在整个的板梁梁段中呈现独立分布，则停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段；若标记对应测点位置限定的梁段范围分散随机或因曲率半径大小差量过小时，即差量值≤3％，则加大半径对比的量度(例如改变尺度的单位量级(1.5倍的量级倍数)或同单位量级下的量程值(0.3倍的单元长度))，直到出现明显的由独立标记对应测点位置限定的梁段范围时停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段。

其中，独立分布是指采用二分法统计各标记点位置上曲率值，并对各标记点位置处的曲率值进行统计，统计结果示意图中存在的异常峰幅值大，波动趋势突出明显的分布特征。

本发明围绕带有裂纹损伤的空间平衡桁架板梁，设置与原板梁参数一致的对照板梁实验件，将原板件和对照试验件标记划分为若干组合结构单元,并在结构单元两侧各角点位置放置应变片，对比两类空间平衡桁架板梁上应变变化；根据激励力-变形关系，在组合梁的中心点处以同等力度在垂直方向上间隔性冲击，对比梁两侧对称位置上应变片的应变变化；根据裂纹附加刚度的存在，存在裂纹的一侧和非裂纹一侧必然因刚度不一致性而存在应变响应差异，进而可按照此特性进行二分化，逐步缩短裂纹位置的检测范围，最终找到裂纹存在的位置；本发明可对同参量，批次性生产的板梁生产企业提供一种简易的损伤故障的检测手段，方便于生厂商加强对板梁易损位置的安全维护设计。

实施例2

参照图4为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

传统的技术方案：在板梁检测上，通过在空心梁跨中截面作为应力测试截面，在截面的上下缘两侧分别布置两个应力测点，在梁的两端放置在两个地锚上，在梁的跨中截面布置一个千斤顶，分析跨中截面挠度和上下缘的弯曲应力变化。传统技术方案的缺陷在于：

(1)对于板梁的裂纹、缝隙的观测技术依然停留在依靠人眼看，仪器扫描等视觉检验层面，对于板梁内部出现的裂纹很难进行辨识，因此对裂纹的识别存在局限性；

(2)传统的技术方案中布置的测点位置过少，且现有的大部分的传感器很容易受到环境中的静电干扰和线圈磁感效应影响，因此很容易产生不同程度的信号误差，影响检测结果的准确性。

为验证本方法相对传统方法具有较高准确性和便捷性，本实施例中将采用传统板梁裂纹区域识别方法和本方法分别对板梁进行检测对比和说明。

测试环境：在动力学仿真平台模拟载荷激励下板梁的弯曲变化过程，采用原板梁和对照组板梁对比试验，在同一静载荷作用下应用传统方法和本方法来分别获得载荷作用下的板梁挠度变化数据，并匹配两种方法之间的误差情况。结果如图4所示，将各测点(节点)位置出的提取数据如下表所示。

表1：实验结果表。

参考图一，结合实施例1所示步骤计算，可确定曲率半径如表1中所示，按照判断方法可确定故障裂纹的缺陷区域在测点5处。而按照传统方法，大多只观测部分测点处数据(如两端点位置或中点数据)，无法清晰判断是否存在裂纹缺陷或者只能大致判断有缺陷但无法确定位置，因此，由对比图表可看出，本方法是一种有效的且计算简便的裂纹区域定位方法。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于，包括：

设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布；

根据所述应变值分布，计算所述各测点位置对应的曲率半径；

对比并判断所述原板梁和对照实验组板梁的各测点位置对应的曲率半径是否满足判断标准；

若满足，则标记对应测点位置并根据其限定的梁段范围在整个的板梁梁段中的分布情况进行损伤区段判断，完成裂纹的区域识别。

2.如权利要求1所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：所述设置原板梁及对照实验组板梁，并在其底部施加静载荷力，分别得到各测点位置上的应变值分布包括，

定义原空间平衡桁架板梁与对照实验组板梁结构属性相同，以板梁底部中心点为节圆的圆心，将离所述圆心位置距离相同的节点归纳为一组，按照各组对应测点与梁截面中性轴之间的纵向尺寸，将所述原板梁和对照板梁划分为同等数量，尺寸相同的若干组合单元，并依次记为l₁，l₂，l₃，…l_n，在所述原板梁和对照试验组划分的组合结构单元的各周向角点上均匀设有测点，在每个测点上贴附有应变片，各组应变片在空间方向和位置上保持同向和同距分布；

在所述空间平衡桁架板梁的中间区域的底部在垂直施加同向、幅度相等的静态作用力，分别测取各应变片上的应变值。

3.如权利要求1或2所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：所述各测点位置上的应变值分布包括，

对于特定位置上应变片的信号取三次执行结果的平均值，三次执行结果值分别记为ε₁，ε₂，ε₃：

4.如权利要求3所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：计算所述各测点位置对应的曲率半径包括，

根据弯曲梁弯曲变形公式统计其他测点位置上的应变值，并基于所述应变值计算出所述各测点位置对应的曲率半径：

其中，M_i(x)为激励中心对称两侧测点位置上的弯矩，k_i为各测点的弯曲刚度，ρ_li为第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径。

5.如权利要求4所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：所述第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径包括，

其中，ε_i为第i组测点位置处对应的应力值，l_i为i组测点与板梁底部中心点之间的距离。

6.如权利要求1所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：所述判断标准包括，

定义原板梁上第i组测点位置处相对板梁底部中心点对应的曲率半径为ρ_oi，若ρ_oi≈ρ_li，则继续前行判断，若ρ_oi＞＞ρ_li或ρ_oi＜＜ρ_li，则标记对应测点位置。

7.如权利要求1、4、5任一所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：所述损伤区段判断包括，

若所述标记对应测点位置限定的梁段范围在整个的板梁梁段中呈现独立分布，则停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段；

若标记对应测点位置限定的梁段范围分散随机或因曲率半径大小差量过小时，即差量值≤3％，则加大半径对比的量度或同单位量级下的量程值，直到出现明显的由独立标记对应测点位置限定的梁段范围时停止判断，标记点限定的梁段范围即为损伤区段。

8.如权利要求7所述的空间平衡桁架板梁的裂纹区域识别方法，其特征在于：包括，所述原板梁和对照实验组板梁结构、参数属性和约束条件需保持一致。

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