CN114004041A - 规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法 - Google Patents

规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法。该方法不再利用接触力，而是使用了两个振幅表达式来进行刚度系数的计算，进而规避了相位的测量。同时，通过预估阻尼比的范围将方程组转换为了有约束条件下的非线性规划问题，减小了病态方程组带来的误差。本发明提供的指标仅需压路机具有多级调频和调幅功能便可使用，相对于原有指标降低了技术门槛，拓展了应用范围。

Description

规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法
技术领域
本发明属于道路工程智能压实检测技术领域，具体涉及一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法。
背景技术
智能压实检测技术是通过在压实设备上配备一系列传感器，检测压实设备的动力学响应(主要是振动压路机钢轮的质心加速度)，再根据动力学响应与材料压实质量之间的联系，提炼出相应的智能压实计量指标以反映压实质量。相对于道路工程中传统的压实度检测方法，智能压实检测技术具有实时、全面、无损的优势。
智能压实检测技术的核心在于根据实测动力学响应提炼出合适的压实计量指标。当前现有的常用压实指标中，振动模量Evib是唯一的仅与压实材料性质相关的绝对压实指标，而且与工程中的结构模量具有相同的物理意义，可以在压实的同时进行模量的实时检测，因此具有极大的发展潜力。然而，相对于经典的CMV、CCV等谐波比类指标，Evib在测量时除了需要检测振动轮加速度信号，还需要得到钢轮偏心块的相位数据以计算接触力。但偏心块本身在钢轮内部，相位检测较为困难，当前国内大部分智能压路机的产商并没有掌握这项技术，导致振动模量指标的应用受到限制。为了解决这一问题，本发明尝试探索一种新的规避相位检测的振动模量指标的测量和计算方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，以避免相位检测技术的壁垒限制，方便在智能压实检测技术的实践中推广振动模量指标的应用。
一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，采用如下步骤：
步骤1：选择刚度分布均匀的检测路段进行智能压实检测，并对检测路段路基结构阻尼比参数的大致范围进行预估；检测路段的刚度分布是否均匀，可预先利用CMV指标进行可重复性验证，即检验使用相同的压路机和操作参数对同一片区域进行两次碾压，能否得到相近的指标测量结果，操作参数包括速度、激振频率和激振力幅值；CMV是智能压实计量指标，该指标的计算式如下：
Figure BDA0003304237630000011
式中，Aω和A2ω分别表示傅里叶变换后，加速度信号频谱图中的基频和2次谐波分量；
步骤2：采集原始加速度信号和位置信息，并将加速度信号与位置信息对应；其中，采集原始加速度信号包括在压路机的振动轮中心轴上安装加速度传感器，采集振动轮的竖向加速度信号；采集位置信息包括在压路机顶部安装定位装置，并接入基站或RTK网络，以接收位置信号；测量时，压路机在压实条带的前进和后退过程中分别使用不同的激振频率，同时根据检测的加速度信号计算CMV指标；在压实过程中，记录原始的加速度信号以及对应的位置信息；
步骤3：根据加速度信号反算振动轮位移：计算时，先选取一定长度的加速度信号区间，在区间内利用平均值法去除原始加速度信号中的直流分量，然后利用处理后的加速度结果，通过数值积分得到速度和位移信号；最后将区间内各周期的积分结果依次拼接，得到振动轮位移；
步骤4：计算刚度系数kd：利用前后两次压实过程中相同位置对应计算区间内的数据来求解压实材料的刚度系数；
步骤5：计算振动模量Evib(kd)：将kd值转换为振动模量Evib(kd)。
作为更进一步的优选方案，步骤4中刚度系数kd的计算方法如下：
先参照下式计算压实系统的固有频率：
Figure BDA0003304237630000021
式中，ω0和ξ表示压实系统的固有频率和阻尼比，ω1和ω2分别表示前进和后退两次压实过程中压路机的激振频率，Fe1和Fe2表示两次压实过程中激振力的幅值，A1和A2表示计算区间内位移信号的平均幅值，md表示振动轮的质量；将预估的阻尼比范围引入上式，并利用非线性规划算法求解F(ω0,ξ)最小时对应的ω0值，然后利用下式计算kd：
Figure BDA0003304237630000022
作为更进一步的优选方案，步骤5中kd与Evib(kd)的转换关系式如下：
Figure BDA0003304237630000023
上式中，ν表示压实材料的泊松比，l和R分别表示振动轮的宽度和半径，mf表示振动轮所分配的机架质量；利用上述关系式，再通过迭代法即可得到Evib(kd)指标。
作为更进一步的优选方案，步骤1中，计算得到相近的指标测量结果的方法为：在两次压实过程中，相同位置指标相对差值的平均值和标准差均在一定范围内。
作为更进一步的优选方案，步骤1中，阻尼比范围的预估可采用经验值，也可通过试验进行确定。
作为更进一步的优选方案，步骤2中，为了限制振动轮的脱空，CMV测量值选择小于10，若高于10，则应当调整压路机的振幅。
作为更进一步的优选方案，步骤3中，在数值积分时，每次仅对单周期的数据点进行积分，然后参照单周期积分面积为零的原则进行积分常量的修正。
有益效果：
本发明提供了一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法。现有的振动模量指标在计算时需要利用钢轮与压实结构的接触力，而接触力的反算需要确定激振力或偏心块的相位。偏心块的相位检测较为困难，国内大部分压路机产商并没有掌握这项技术，导致振动模量的使用受到限制。而本发明中的Evib(kd)指标更改了刚度系数的计算方法，使用了两个不同激振频率下的振幅表达式来替代接触力或相位的计算，由此规避了国外对相位测量的技术限制。该指标只需压路机具有多级调频和调幅能力便可使用，这对于当前的智能压路机而言是可以实现的，因此可以大大降低振动模量指标的使用门槛，拓展其应用范围。
附图说明
图1为振动压实单自由度动力学模型示意；
图2为加速度信号频谱图示意；
图3为路基振动压实有限元模型示意；
图4为有限元仿真得到的加速度信号示意；
图5为加速度信号积分得到的速度和位移信号示意。
具体实施例
下面结合具体实施例和说明书附图进一步阐明本发明的内容。
现有振动模量计算方法需要利用接触力，而接触力计算式是根据单自由度动力学模型(如图1)推导获得，具体表达式如下：
Figure BDA0003304237630000041
式中，Fc表示接触力，Fe表示激振力的峰值，
Figure BDA0003304237630000042
表示零时刻激振力的相位，ω表示激振频率，md和mf分别表示振动轮和振动轮分配的机架质量，a表示振动轮的竖向加速度，以向上为正。上式中，接触力峰值已知，但相位难以测量，导致振动模量的使用受到限制。
但需要注意的是，计算接触力本质上为了求解图1中的刚度系数k，但实际上，直接利用激振力和位移幅值也可对刚度系数进行计算。同样利用图2中的单自由度动力学模型，可得振幅表达式如下：
Figure BDA0003304237630000043
式中，A表示振动轮的振幅，ω0和ξ分别表示压实系统的固有频率和阻尼比，如果能够计算出上式中的固有频率ω0，便可利用下式对刚度系数进行计算：
Figure BDA0003304237630000044
当然，振幅表达式中存在ω0和ξ两个未知数，必须要提供两个方程才可求解。故而需要在同一压实条带上的前进和后退过程中使用不同的激振频率，由此得到两个振幅表达式组成如下的方程组：
Figure BDA0003304237630000045
式中，ω1和ω2分别表示前进和后退两次压实过程中压路机的激振频率，Fe1和Fe2表示两次压实过程中激振力的幅值，A1和A2表示计算区间内位移信号的平均幅值。
上式即为本发明中刚度系数的计算原理。需要说明的是，理论上可以直接依照上式进行固有频率和刚度系数的计算，但上式在数学上是偏病态的，对于相关参数的微小偏差过于敏感。为了提高计算精度，本发明采用了预估阻尼比的方法，对阻尼比的变化范围进行限制，并将原方程组改为有约束条件下求解下式的最小值问题，如此可以避免固有频率计算结果出现较大偏差：
Figure BDA0003304237630000046
根据上述原理，本发明采用以下步骤来进行振动模量的测量和计算：
步骤1：选择合适的检测路段，并对检测路段路基结构阻尼比参数的大致范围进行预估。所选路段的刚度分布应较为均匀，适合进行智能压实检测。必要时可预先利用CMV指标进行可重复性验证，即检验使用相同的压路机和操作参数(速度、激振频率和激振力幅值)对同一片区域进行碾压时，能否得到相近的指标测量结果(两次压实过程中，相同位置指标相对差值的平均值和标准差均在一定范围内)。CMV指标的计算式如下：
Figure BDA0003304237630000051
式中，Aω和A2ω分别表示傅里叶变换后，加速度信号频谱图中的基频和2次谐波分量(参考图1)。阻尼比范围的预估可采用经验值，也可通过试验进行确定。
步骤2：采集原始加速度信号，并将加速度信号与位置信息对应。在振动轮中心轴上安装加速度传感器，采集振动轮的竖向加速度信号，同时在压路机顶部安装定位装置，并接入基站或RTK网络，以接收位置信号。测量时，压路机在压实条带的前进和后退过程中分别使用不同的激振频率，同时根据检测的加速度信号计算CMV指标，CMV测量值不宜过大(推荐小于10)，否则应当调整压路机的振幅，这是为了限制振动轮的脱空。在压实过程中，记录原始的加速度信号以及对应的位置信息。
步骤3：根据加速度信号反算振动轮位移。计算时，先选取一定长度的计算区间，在区间内利用平均值法去除原始加速度信号中的直流分量，然后利用处理后的加速度结果，通过数值积分得到速度和位移信号。在积分时，每次仅对单周期的数据点进行积分，然后参照单周期积分面积为零的原则进行积分常量的修正，最后将区间内各周期的积分结果依次拼接。
步骤4：计算刚度系数kd。利用前后两次压实过程中相同位置对应计算区间内的数据来计算刚度系数，计算时可使用如下表达式：
Figure BDA0003304237630000052
将预估的阻尼比范围引入上式，并利用非线性规划算法求解F(ω0,ξ)最小时对应的ω0值，然后利用下式计算kd：
Figure BDA0003304237630000053
步骤5：计算振动模量Evib(kd)。将kd值转换为振动模量，转换方法如下：
Figure BDA0003304237630000061
上式中，ν表示压实材料的泊松比，l和R分别表示振动轮的宽度和半径。利用上述关系式，再通过迭代法即可得到Evib(kd)指标
首先对阻尼比的预估方法进行说明。阻尼比预估可采用经验法和试验法。其中经验法可以采用如下的经验公式或参考以往研究资料中的经验值：
粘性土的竖向阻尼比：
Figure BDA0003304237630000062
砂土、粉土的竖向阻尼比：
Figure BDA0003304237630000063
式中，
Figure BDA0003304237630000064
为无量纲质量比，m和A分别为振动加载体的质量和底面积，本文中即为振动轮的质量和接触面积，ρ为路基土的密度。试验法可以参考《GBT 50269-2015地基动力特性测试规范》中第4章的方法。
下面借助有限元仿真的手段对本发明中指标的精度进行验证。基于平面应变的假定建立振动压实有限元模型，如图3所示。其中振动轮相关参数的选择参考徐工XS263J型单钢轮振动压路机，该型号压路机的主要工作参数如表1所示。压实材料使用纯弹性的假定，有限元模型的计算精度利用Lundberg理论解进行了验证。
表1不同压实材料模量条件下Evib(kc)的计算结果
Figure BDA0003304237630000065
以压实材料模量为100MPa时为例，图4给出了激振频率为32Hz时(弱振模式)，利用有限元仿真得到的振动轮质心加速度信号的计算结果(采样频率1000Hz，计算区间取为0.5s)。依照步骤3，使用梯形公式对离散的加速度数据点进行积分(有限元仿真得到的加速度信号没有零点漂移现象，可以省略去除原始信号直流分量的过程)。每次积分选取近似一个周期的数据点，本例中选为33个。对积分完成后的信号再次利用梯形公式计算一个激振周期内信号所包含的积分面积，将所得结果除以周期长度即可得到信号的平均幅值，依照单周期积分面积为零的原则，在所得信号数据点中减去该值。重复上述步骤，最后将各周期的计算结果依次拼接即可得到计算区间内完整的积分后波形。依照上述方法积分一次可得速度信号，积分两次可得位移信号，如图5所示。计算区间内位移信号的平均幅值，为1.24mm。然后调整有限元模型中压路机的激振频率为27Hz，激振力为145kN，重新得到一组加速度数据，同样利用上述方法得到此时的位移平均幅值为1.01mm。将相关数据代入步骤4中的表达式，阻尼比限制范围取为0.05～0.15，基于MATLAB的fmincon函数求取表达式的最小值条件，由此得到kd的计算结果为80.64MN/m。进一步地，将该值代入步骤5中的表达式，通过迭代运算得到振动模量Evib(kd)的结果为94.06MPa。
利用上述方法，表2给出了不同路基模量条件下Evib(kd)的计算结果，其中，两次振动压实仿真的激振频率分别为27Hz和32Hz，激振力幅值一般取为290kN，但27Hz条件下，路基模量为80MPa以上时，激振力幅值降为145kN以限制脱空。根据表1，可以看到，指标值与实际模量的相对误差均在15％以内，且除低模量区以外，大部分情况下的相对误差均不超过10％，这样的精度可以符合工程应用的要求。
表2不同压实材料模量条件下Evib(kd)的计算结果
Figure BDA0003304237630000071
Figure BDA0003304237630000081
最后，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于，采用如下步骤：
步骤1：选择刚度分布均匀的检测路段进行智能压实检测，并对检测路段路基结构阻尼比参数的大致范围进行预估；检测路段的刚度分布是否均匀，可预先利用CMV指标进行可重复性验证，即检验使用相同的压路机和操作参数对同一片区域进行两次碾压，能否得到相近的指标测量结果，操作参数包括速度、激振频率和激振力幅值；CMV是智能压实计量指标，该指标的计算式如下：
Figure FDA0003304237620000011
式中，Aω和A2ω分别表示傅里叶变换后，加速度信号频谱图中的基频和2次谐波分量；
步骤2：采集原始加速度信号和位置信息，并将加速度信号与位置信息对应；其中，采集原始加速度信号包括在压路机的振动轮中心轴上安装加速度传感器，采集振动轮的竖向加速度信号；采集位置信息包括在压路机顶部安装定位装置，并接入基站或RTK网络，以接收位置信号；测量时，压路机在压实条带的前进和后退过程中分别使用不同的激振频率，同时根据检测的加速度信号计算CMV指标；在压实过程中，记录原始的加速度信号以及对应的位置信息；
步骤3：根据加速度信号反算振动轮位移：计算时，先选取一定长度的加速度信号区间，在区间内利用平均值法去除原始加速度信号中的直流分量，然后利用处理后的加速度结果，通过数值积分得到速度和位移信号；最后将区间内各周期的积分结果依次拼接，得到振动轮位移；
步骤4：计算刚度系数kd：利用前后两次压实过程中相同位置对应计算区间内的数据来求解压实材料的刚度系数；
步骤5：计算振动模量Evib(kd)：将kd值转换为振动模量Evib(kd)。
2.根据权利要求1中所述的规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤4中刚度系数kd的计算方法如下：
先参照下式计算压实系统的固有频率：
Figure FDA0003304237620000012
式中，ω0和ξ表示压实系统的固有频率和阻尼比，ω1和ω2分别表示前进和后退两次压实过程中压路机的激振频率，Fe1和Fe2表示两次压实过程中激振力的幅值，A1和A2表示计算区间内位移信号的平均幅值，md表示振动轮的质量；将预估的阻尼比范围引入上式，并利用非线性规划算法求解F(ω0,ξ)最小时对应的ω0值，然后利用下式计算kd：
Figure FDA0003304237620000021
3.根据权利要求1中所述的规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤5中kd与Evib(kd)的转换关系式如下：
Figure FDA0003304237620000022
上式中，ν表示压实材料的泊松比，l和R分别表示振动轮的宽度和半径，mf表示振动轮所分配的机架质量；利用上述关系式，再通过迭代法即可得到Evib(kd)指标。
4.根据权利要求1中所述的规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤1中，计算得到相近的指标测量结果的方法为：在两次压实过程中，相同位置指标相对差值的平均值和标准差均在一定范围内。
5.根据权利要求1中所述的规避相检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤1中，阻尼比范围的预估可采用经验值，也可通过试验进行确定。
6.根据权利要求1中所述的规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤2中，为了限制振动轮的脱空，CMV测量值选择小于10，若高于10，则应当调整压路机的振幅。
7.根据权利要求1中所述的规避相位检测的智能压实振动模量指标的测量和计算方法，其特征在于：步骤3中，在数值积分时，每次仅对单周期的数据点进行积分，然后参照单周期积分面积为零的原则进行积分常量的修正。
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