CN114357829B - 一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，包括确定光纤光栅解调仪的解调频带范围；对油箱进行网格划分，粘贴光纤光栅应变传感器；通过敲击油箱表面模拟实际工作环境中的振动信号；使用光纤光栅解调仪采集每个光纤光栅应变传感器的信号；提取测点时域图；获取模态稳定图；以及根据模态稳定图对虚假模态进行识别。本发明选用的光纤光栅法中激励不可测，符合实际工作现场条件；由于光纤光栅传感器自身质量偏小，对于测量结果影响也更小；光纤光栅传感器不受电磁干扰的影响，更加适应特种车辆实际所处的恶劣工作环境。本发明的油箱虚假模态识别方法具有操作简单、成本低廉、抗电磁干扰、灵敏度以及可靠性好的优点。
Description
技术领域
本发明属于特种车辆损伤检测技术领域，具体涉及一种适用于强电磁干扰环境的基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法。
背景技术
在实际工程结构设计中，不仅要考虑结构的静强度，还要研究其动力学特性。很多结构在工作状态下会受到动态载荷的作用，因此面临共振损伤甚至失效的风险。共振是当外界或自身激励的频率和结构本身的固有频率接近或相同，从而使物体的受迫振动振幅达到最大的一种现象。结构发生共振时，即使强度足够也可能发生损坏和故障的危险。振动模态是弹性结构固有的整体特性。通过模态分析方法分析结构在容易发生共振的频率范围内的各阶主要模态的特性，可以预测结构在此频段内在外部或内部各种振动源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。
模态分析是根据结构的固有特性，包括频率、阻尼和模态振型等动力学属性去描述结构的过程，已被广泛应用于工程振动问题的处理中。模态分析技术建立在试验模型的基础上，采用理论与试验技术相结合的方法处理各种振动问题，是解决结构动力学问题的支柱，已经在机械、航空航天以及建筑等领域广泛应用。
但是当噪声污染较为严重时会出现大量的噪声模态，其与模态过估计带来的计算模态会严重干扰正确结果的提取。
特种车辆通常具有高度的越野机动性能，并具有一定的火力防护作用。油箱作为特种车辆的重要部件，若出现损伤则容易造成整辆车都不能正常运行。基于协方差的随机子空间辨识法的虚假模态，能够实现基于模态能量的虚假模态剔除，通过对特种车辆油箱虚假模态识别损伤的监测，能够使损伤带来的损失降低到最低水平，从而提高特种车辆的使用可靠性、安全性。
光纤光栅传感器体积小重量轻，对动态应变敏感，无需额外的封装即可进行动态应变测量，十分适合应用于应变模态参数识别。同时，光纤光栅传感器可组成传感器网络，实现准分布式测量，耐久性高，能适应各种严苛工作环境，适合应用于在线检测领域，因而在基于输出响应的模态参数识别应用上具有天然的优势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，以解决如何对特种车辆油箱进行虚假模态识别的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，该油箱虚假模态识别方法包括如下步骤：
S1.使用有限元分析软件对油箱低阶模态进行仿真分析，根据仿真结果确定光纤光栅解调仪的解调频带范围；
S2.对油箱进行网格划分，将单个光纤光栅应变传感器熔接成串后在油箱的每个网格内依次粘贴一个光纤光栅应变传感器，每个光纤光栅传感器作为一个测点；
S3.使用力锤敲击作为给定激励输入，分别敲击油箱表面不同位置，每个位置敲击若干次且无连击现象，以模拟实际工作环境中的振动信号；
S4.使用光纤光栅解调仪采集每个光纤光栅应变传感器的信号；
S5.从光纤光栅解调仪中解调出单个测点的时域图；
S6.利用模态参数分析系统基于输入输出的随机子空间模态参数识别算法对时域信号进行解算，进行系统模态参数辨识，将满足模态参数限定条件的不同阶次下系统模态参数绘制在同一幅图中，得到模态稳定图；
S7.将不同阶次模型的固有频率计算结果满足模态参数限定条件的全部点绘制在模态稳定图中后，在不同模型中反复出现的点形成稳定轴，稳定轴所在位置即确定为真实模态，其他模态即为虚假模态，同时确定油箱模态系统阶次，找到各条稳定轴对应的频率值并求取平均值，即识别出油箱的模态参数，频率平均值代表最终的模态参数。
进一步地，油箱虚假模态识别方法对油箱前四阶模态进行仿真分析。
进一步地，步骤S2中，利用光纤熔接机以及熔接棒将单个光纤光栅应变传感器熔接成串，再用瞬干胶在油箱的每个网格内依次粘贴一个光纤光栅应变传感器。
进一步地，步骤S2中，光纤光栅传感器的粘贴方向为横向粘贴。
进一步地，步骤S3中，随机选取油箱的不同位置进行敲击，敲击位置为油箱表面每个网格中靠近光纤光栅应变传感器的位置。
进一步地，步骤S6中，系统模态参数至少包括振型、固有频率、阻尼比。
进一步地，光纤光栅解调仪的解调频带范围为80nm，采样率设置为5000Hz。
(三)有益效果
本发明提出一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，包括确定光纤光栅解调仪的解调频带范围；对油箱进行网格划分，粘贴光纤光栅应变传感器；通过敲击油箱表面模拟实际工作环境中的振动信号；使用光纤光栅解调仪采集每个光纤光栅应变传感器的信号；提取测点时域图；获取模态稳定图；以及根据模态稳定图对虚假模态进行识别。
相比于传统加速度法中的激励可测，本发明选用的光纤光栅法中激励不可测，更符合实际工作现场条件；由于光纤光栅传感器较传统的加速度传感器自身质量偏小，对于测量结果影响也更小；加速度传感器抗电磁干扰能力差，而光纤光栅传感器不受电磁干扰的影响，更加适应特种车辆实际所处的恶劣工作环境。本发明的油箱虚假模态识别方法具有操作简单、成本低廉、抗电磁干扰、灵敏度以及可靠性好的优点，能够长期稳定正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例中油箱网格划分示意图；
图2为本发明实施例中模态稳定图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，具体包括如下步骤：
S1.使用ANSYS软件对油箱前四阶模态进行仿真分析，根据仿真结果确定光纤光栅解调仪的解调频带范围。
由于油箱自身体积和质量较大，仅需对低频阶次进行分析和研究，因此本实施例中主要分析油箱前四阶模态。根据仿真结果，本实施例中使用美国微米光学光纤传感国际公司生产的SM255解调仪，共八个传感通道，解调频带范围为80nm。
S2.对油箱进行网格划分，利用光纤熔接机以及熔接棒将单个光纤光栅应变传感器熔接成串，再用瞬干胶在油箱的每个网格内依次粘贴一个光纤光栅应变传感器，光纤光栅传感器的粘贴方向为横向粘贴，每个光纤光栅传感器作为一个测点。
本实施例中，将油箱正面划分为12行9列的网格(第一行为8列)，如图1所示。
在粘贴传感器前，先用粗砂纸和细砂纸对粘贴传感器的位置进行打磨，再用酒精棉擦拭干净至清洁平滑，以利于测量结果更为精准。
S3.使用力锤敲击作为给定激励输入，分别敲击油箱表面不同位置，每个位置敲击4至6次且无连击现象，以模拟实际工作环境中的振动信号。例如，可按图中随机选取的位置序号进行敲击，敲击位置为每个网格中靠近光纤光栅应变传感器的位置，注意不能直接敲击传感器，只能敲击油箱表面。
S4.使用光纤光栅解调仪采集每个光纤光栅应变传感器的信号，采样率设置为5000Hz。
S5.提取测点时域图
从光纤光栅解调仪中解调出单个测点的时域图。
S6.获取模态稳定图
利用INV1601模态参数分析系统基于输入输出的随机子空间模态参数识别算法对时域信号进行解算，进行振型、固有频率、阻尼比等系统模态参数辨识，将满足模态参数限定条件的不同阶次下系统模态参数绘制在同一幅图中，得到模态稳定图，如图2所示。
S7.根据模态稳定图对虚假模态进行识别
将不同阶次模型的固有频率计算结果满足模态参数限定条件的全部点绘制在模态稳定图中后，在不同模型中反复出现的点形成稳定轴，稳定轴所在位置即确定为真实模态，其他模态即为虚假模态，同时可以确定油箱模态系统阶次，找到各条稳定轴对应的频率值并求取平均值，即识别出油箱的模态参数，频率平均值代表最终的模态参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅传感器的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，所述油箱虚假模态识别方法包括如下步骤：
S1.使用有限元分析软件对油箱前四阶模态进行仿真分析，根据仿真结果确定光纤光栅解调仪的解调频带范围；
S2.对油箱进行网格划分，将单个光纤光栅应变传感器熔接成串后在油箱的每个网格内依次粘贴一个光纤光栅应变传感器，每个光纤光栅传感器作为一个测点；
S3.使用力锤敲击作为给定激励输入，分别敲击油箱表面不同位置，每个位置敲击若干次且无连击现象，以模拟实际工作环境中的振动信号；
S4.使用光纤光栅解调仪采集每个光纤光栅应变传感器的信号；
S5.从光纤光栅解调仪中解调出单个测点的时域图；
S6.利用模态参数分析系统基于输入输出的随机子空间模态参数识别算法对时域信号进行解算，进行系统模态参数辨识，将满足模态参数限定条件的不同阶次下系统模态参数绘制在同一幅图中，得到模态稳定图；
S7.将不同阶次模型的固有频率计算结果满足模态参数限定条件的全部点绘制在模态稳定图中后，在不同模型中反复出现的点形成稳定轴，稳定轴所在位置即确定为真实模态，其他模态即为虚假模态，同时确定油箱模态系统阶次，找到各条稳定轴对应的频率值并求取平均值，即识别出油箱的模态参数，频率平均值代表最终的模态参数。
2.如权利要求1所述的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，步骤S2中，利用光纤熔接机以及熔接棒将单个光纤光栅应变传感器熔接成串，再用瞬干胶在油箱的每个网格内依次粘贴一个光纤光栅应变传感器。
3.如权利要求1所述的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，步骤S2中，光纤光栅传感器的粘贴方向为横向粘贴。
4.如权利要求1所述的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，步骤S3中，随机选取油箱的不同位置进行敲击，敲击位置为油箱表面每个网格中靠近光纤光栅应变传感器的位置。
5.如权利要求1所述的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，步骤S6中，系统模态参数至少包括振型、固有频率、阻尼比。
6.如权利要求1所述的油箱虚假模态识别方法，其特征在于，所述光纤光栅解调仪的解调频带范围为80nm，采样率设置为5000Hz。
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