專利名稱：運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)，特別是一種運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析時(shí)，通常將基礎(chǔ)看作完全剛性的約束，可以得到較為精確的結(jié)果；而在動(dòng)力特性分析時(shí)，由于基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)間的耦合作用，基礎(chǔ)本身的彈性會(huì)對分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析時(shí)，應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)的彈性約束作用。另外，基礎(chǔ)約束剛度或承載能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，同時(shí)，基礎(chǔ)的約束狀態(tài)也是進(jìn)行故障診斷的主要內(nèi)容，為了 了解結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)及變化，需對基礎(chǔ)的約束剛度進(jìn)行監(jiān)測。隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)的發(fā)展，通過試驗(yàn)可以較容易地測量得到結(jié)構(gòu)固有頻率的變化。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)固有頻率的變化來判斷基礎(chǔ)約束剛度的變化及結(jié)構(gòu)損傷位置是一種有效的方法?，F(xiàn)有的監(jiān)測方法，多是針對高聳建筑、橋梁等大型的處于靜止?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)，而工程中有很多結(jié)構(gòu)是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，其約束狀態(tài)將不同于一般的靜止結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的過程中，會(huì)產(chǎn)生諸如結(jié)構(gòu)約束松馳、內(nèi)部裂紋等變異現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化會(huì)引起動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化。因此，對于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)約束狀態(tài)的監(jiān)測以及動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)的精確建模，應(yīng)充分考慮運(yùn)動(dòng)的影響?；A(chǔ)處于移動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際以及科研領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，而現(xiàn)有的主要應(yīng)用于基礎(chǔ)固定的結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方法，分析過程中沒有充分考慮運(yùn)動(dòng)速度的影響，不能滿足運(yùn)動(dòng)情況下梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求，從而無法達(dá)到高精度監(jiān)測及動(dòng)態(tài)特性分析。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有監(jiān)測方法不能滿足運(yùn)動(dòng)情況下梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求，不能達(dá)到高精度監(jiān)測及動(dòng)態(tài)特性分析的問題。技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，包括以下步驟:
(1)對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，通過參數(shù)設(shè)置改變模型中的約束條件，然后進(jìn)行固有特性求解；將不同約束條件下通過固有特性求解得到的結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理建立固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫；
(2)檢測梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理得到梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的固有特性；
(3)根據(jù)固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫，求解得到梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的基礎(chǔ)約束狀態(tài)。所述的梁結(jié)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
所述的固有特性求解得到的是模態(tài)頻率。所述的有限元建模中的約束條件以及監(jiān)測的約束狀態(tài)用剛度系數(shù)來表征。所述的方法可實(shí)時(shí)顯示梁結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述方法的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫模塊和測試分析模塊，數(shù)據(jù)庫模塊包括有限元建模子模塊和固有特性求解子模塊，有限元建模子模塊通過固有特性求解子模塊將計(jì)算結(jié)果輸入給計(jì)算機(jī)；測試分析模塊包括傳感器、電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)；傳感器粘貼在梁結(jié)構(gòu)上，傳感器的信號(hào)輸出端與電荷放大器的信號(hào)輸入端相連，電荷放大器的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸出端與動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)的信號(hào)輸入端相連，動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)的輸出端與計(jì)算機(jī)相連；梁結(jié)構(gòu)通過固定支架固定在移動(dòng)平臺(tái)上，控制器的一端與移動(dòng)平臺(tái)連接，控制器的另一端與計(jì)算機(jī)連接。有益效果:本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)，通過對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模及固有特性求解，建立固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫；梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度通過控制器反饋給計(jì)算機(jī)，根據(jù)梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理得到梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的固有特性；結(jié)合固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫，可實(shí)時(shí)顯示梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的基礎(chǔ)約束狀態(tài)，分析運(yùn)動(dòng)速度對約束狀態(tài)的影響，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。解決現(xiàn)有監(jiān)測方法不能滿足運(yùn)動(dòng)情況下梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求，不能達(dá)到高精度監(jiān)測及動(dòng)態(tài)特性分析的問題。優(yōu)點(diǎn):該監(jiān)測方法及系統(tǒng)充分考慮了速度因素，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測基礎(chǔ)的約束狀態(tài)，通過分析運(yùn)動(dòng)速度對約束狀態(tài)的影響，掌握相關(guān)規(guī)律，適用于處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及動(dòng)態(tài)特性分析中考慮速度影響時(shí)的精確動(dòng)力學(xué)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制。


圖1為本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖。圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)框圖。圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的求解約束剛度與運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系的流程圖。圖中:1、數(shù)據(jù)庫模塊；1_1、有限元建模子模塊；1_2、固有特性求解子模塊；2、測試分析模塊；2_1、傳感器；2-2、電荷放大器；2-3、A/D轉(zhuǎn)換器；2_4、動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)；3、計(jì)算機(jī)；4、控制器；5、梁結(jié)構(gòu)；6、螺栓；7、固定支架；8、位移平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
實(shí)施例1:圖1所示，本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫模塊I和測試分析模塊2，數(shù)據(jù)庫模塊I包括有限元建模子模塊1-1和固有特性求解子模塊1-2，有限元建模子模塊1-1通過固有特性求解子模塊1-2將計(jì)算結(jié)果輸入給計(jì)算機(jī)3 ;測試分析模塊2包括傳感器2-1、電荷放大器2-2、A/D轉(zhuǎn)換器2-3及動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2_4 ;傳感器2-1粘貼在梁結(jié)構(gòu)5上,傳感器2-1的信號(hào)輸出端與電荷放大器2-2的信號(hào)輸入端相連，電荷放大器2-2的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器2-3的信號(hào)輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換器2_3的信號(hào)輸出端與動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2-4的信號(hào)輸入端相連,動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2-4的輸出端與計(jì)算機(jī)3相連；梁結(jié)構(gòu)5通過螺栓6和固定支架7連接在移動(dòng)平臺(tái)8上，控制器4的一端與移動(dòng)平臺(tái)8連接,控制器4的另一端與計(jì)算機(jī)3連接。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法:
(1)對梁結(jié)構(gòu)5進(jìn)行有限元建模，通過參數(shù)設(shè)置改變模型中的約束條件，然后進(jìn)行固有特性求解；將不同約束條件下通過固有特性求解得到的結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)3，經(jīng)計(jì)算機(jī)3分析處理建立固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫；
(2)檢測梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)3分析處理得到梁結(jié)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)過程中的固有特性；
(3)根據(jù)固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫，求解得到梁結(jié)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)過程中的基礎(chǔ)約束狀態(tài)。所述的梁結(jié)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所述的固有特性求解得到的是模態(tài)頻率。所述的有限元建模中的約束條件以及監(jiān)測的約束狀態(tài)用剛度系數(shù)來表征。所述的方法可實(shí)時(shí)顯示梁結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。具體的，首先對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，通過參數(shù)設(shè)置改變模型中的剛度系數(shù)，進(jìn)行固有特性求解，將不同剛度系數(shù)下通過固有特性求解得到的各階模態(tài)頻率結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)3，經(jīng)計(jì)算機(jī)3分析處理建立模態(tài)頻率與約束剛度之間的數(shù)據(jù)庫。在圖2中，將固定支架7固定在位移平臺(tái)8上，梁結(jié)構(gòu)5通過螺栓6固定在固定支架7上，在梁結(jié)構(gòu)5上粘貼傳感器2-1，所述的梁結(jié)構(gòu)5為柔性梁；通過計(jì)算機(jī)3設(shè)定移動(dòng)速度值，與計(jì)算機(jī)3相連的控制器4將設(shè)定的速度量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)位移平臺(tái)8運(yùn)動(dòng)，固定在位移平臺(tái)8上的固定支架7隨位移平臺(tái)8 一起移動(dòng)，從而帶動(dòng)柔性梁運(yùn)動(dòng)，梁結(jié)構(gòu)5的運(yùn)動(dòng)速度通過控制器4反饋給計(jì)算機(jī)3進(jìn)行分析處理；傳感器2-1檢測柔性梁運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)并輸入給電荷放大器2-2,電荷放大器2-2對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大濾波并輸入給A/D轉(zhuǎn)換器2-3，A/D轉(zhuǎn)換器2-3將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入給動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2-4，動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2-4與計(jì)算機(jī)3進(jìn)行通訊，由計(jì)算機(jī)3分析得到柔性梁運(yùn)動(dòng)過程中的各階模態(tài)頻率；位移平臺(tái)8的運(yùn)動(dòng)速度通過控制器4反饋給計(jì)算機(jī)3進(jìn)行分析處理。圖3所示，根據(jù)測試分析模塊2計(jì)算得到的柔性梁運(yùn)動(dòng)過程中的各階模態(tài)頻率和建立的模態(tài)頻率與約束剛度之間的數(shù)據(jù)庫，求解得到梁結(jié)構(gòu)5運(yùn)動(dòng)過程中的約束剛度；結(jié)合控制器4反饋的柔性梁5的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)時(shí)顯示梁結(jié)構(gòu)5的約束剛度與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系曲線，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)可以分析速度對剛度的影響及變化規(guī)律。所述的位移平臺(tái)8選用MOTEC平臺(tái)；所述的傳感器2_1選用壓電薄膜傳感器；所述的電荷放大器2-2型號(hào)為YE5850 ;所述的動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)2_4型號(hào)為DH5922。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)對梁結(jié)構(gòu)(5)進(jìn)行有限元建模，通過參數(shù)設(shè)置改變模型中的約束條件，然后進(jìn)行固有特性求解；將不同約束條件下通過固有特性求解得到的結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)(3)，經(jīng)計(jì)算機(jī)(3)分析處理建立固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫； (2)檢測梁結(jié)構(gòu)(5)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)(3)分析處理得到梁結(jié)構(gòu)(5)運(yùn)動(dòng)過程中的固有特性； (3)根據(jù)固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫，求解得到梁結(jié)構(gòu)(5)運(yùn)動(dòng)過程中的基礎(chǔ)約束狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述的梁結(jié)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述的固有特性求解得到的是模態(tài)頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述的有限元建模中的約束條件以及監(jiān)測的約束狀態(tài)用剛度系數(shù)來表征。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述的方法可實(shí)時(shí)顯示梁結(jié)構(gòu)(5)的約束狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法的系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫模塊(I)和測試分析模塊(2)，數(shù)據(jù)庫模塊(I)包括有限元建模子模塊(1-1)和固有特性求解子模塊(1-2)，有限元建模子模塊(1-1)通過固有特性求解子模塊(1-2)將計(jì)算結(jié)果輸入給計(jì)算機(jī)(3);測試分析模塊(2)包括傳感器(2-1)、電荷放大器(2-2)、A/D轉(zhuǎn)換器(2-3)及動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)(2-4);傳感器(2_1)粘貼在梁結(jié)構(gòu)(5)上，傳感器(2-1)的信號(hào)輸出端與電荷放大器(2-2)的信號(hào)輸入端相連，電荷放大器(2-2)的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(2-3)的信號(hào)輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換器(2-3)的信號(hào)輸出端與動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)(2-4)的信號(hào)輸入端相連，動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)(2-4)的輸出端與計(jì)算機(jī)(3)相連；梁結(jié)構(gòu)(5)通過螺栓(6)和固定支架(7)固定在移動(dòng)平臺(tái)(8)上，控制器(4)的一端與移動(dòng)平臺(tái)(8)連接，控制器(4)的另一端與計(jì)算機(jī)(3)連接。
全文摘要
一種運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)，屬于基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測方法及系統(tǒng)。方法對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，通過參數(shù)設(shè)置改變模型中的約束條件，對固有特性求解；將不同約束條件下得到的結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理建立固有特性與約束條件之間的數(shù)據(jù)庫；檢測梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)信號(hào)，得到梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的固有特性；求解得到梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的基礎(chǔ)約束狀態(tài)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊和測試分析模塊，數(shù)據(jù)庫模塊包括有限元建模子模塊和固有特性求解子模塊，測試分析模塊包括傳感器、電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)約束狀態(tài)，能夠進(jìn)行精確動(dòng)力學(xué)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制。
文檔編號(hào)E02D33/00GK103195111SQ201310130399
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者李威, 劉玉飛, 楊雪鋒, 王禹橋, 范孟豹, 陸文靜 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)