一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于軟測量技術(shù)的諧振式 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作性能直接影響著試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，即在裂紋 擴(kuò)展過程中嚴(yán)格跟蹤系統(tǒng)的固有頻率并控制試驗(yàn)載荷的穩(wěn)定性，為達(dá)到這一目的，需建立 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行精確的分析，這樣首先需要對振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì) 點(diǎn)質(zhì)量和彈簧剛度進(jìn)行測量和計(jì)算，但振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)是由多個(gè)不同形狀、材質(zhì)的部件組 成，對質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行直接測量有很大的局限性，雖然系統(tǒng)的剛度一般可通過有限元方法計(jì) 算，但一些振動(dòng)系統(tǒng)的彈簧形狀、受力、約束較為復(fù)雜，在模型的建立過程中會(huì)有很多繁瑣 的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服已有諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方式的可操作性較 差、成本較高、準(zhǔn)確性較差的不足，本發(fā)明提供一種可操作性良好、成本較低、準(zhǔn)確性良好的 基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法，包括 以下步驟：
[0006] 1)對振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立系統(tǒng)三自由度振動(dòng)力學(xué)模型，并對該力學(xué)模型 進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)方程，由動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)得到關(guān)于系統(tǒng)固有頻率、彈簧剛度和質(zhì) 點(diǎn)質(zhì)量關(guān)系的系統(tǒng)頻率方程；
[0007] 2)根據(jù)有限元方法計(jì)算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實(shí)驗(yàn)方 法測出裂紋擴(kuò)展到不同長度時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率；
[0008] 3)將不同裂紋長度時(shí)系統(tǒng)諧振頻率值及相應(yīng)試件剛度代入到系統(tǒng)頻率方程中，得 到關(guān)于待識(shí)別質(zhì)量和剛度為未知數(shù)的超定方程組；
[0009] 4)通過最小二乘法解超定方程組，得出其關(guān)于質(zhì)量和剛度的最小二乘解，從而得 到一個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組；
[0010] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組，從 而識(shí)別出所述振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量和剛度。
[0011] 進(jìn)一步，所述參數(shù)識(shí)別方法還包括以下步驟：6)進(jìn)行方法精確性驗(yàn)證：在試驗(yàn)臺(tái) 上增加砝碼，改變系統(tǒng)的主振質(zhì)量，采用所提出方法識(shí)別出所添加砝碼的質(zhì)量，并與真實(shí)砝 碼的質(zhì)量做比較，如果相對誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則驗(yàn)證所述參數(shù)識(shí)別方法的合理性。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系 統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法通過把振動(dòng)系統(tǒng)模型簡化之后，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)其系統(tǒng)頻 率方程，利用有限元方法計(jì)算出不同裂紋長度下試件的剛度，利用固有頻率測量實(shí)驗(yàn)方法 測出裂紋擴(kuò)展到不同長度時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率，把相應(yīng)的試件剛度及諧振頻率代入系統(tǒng)頻率 方程求解即可進(jìn)行振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)，單次實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較低。通過這種方 法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與剛度。
【附圖說明】
[0013] 圖1是基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法基 本流程示意圖；
[0014] 圖2是基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法中 電磁諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)（PLG-100)結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖3是基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法中 系統(tǒng)的振動(dòng)力學(xué)模型；
[0016] 圖4是基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法中 三自由度線性振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型；
[0017] 圖5是基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法中 標(biāo)準(zhǔn)CT試件尺寸圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0019] 參照圖1~圖5, 一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參 數(shù)識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0020] 1)對振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立系統(tǒng)三自由度振動(dòng)力學(xué)模型，并對該力學(xué)模型 進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)方程，由動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)得到關(guān)于系統(tǒng)固有頻率、彈簧剛度和質(zhì) 點(diǎn)質(zhì)量關(guān)系的系統(tǒng)頻率方程；
[0021] 2)根據(jù)有限元方法計(jì)算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實(shí)驗(yàn)方 法測出裂紋擴(kuò)展到不同長度時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率；
[0022] 3)將不同裂紋長度時(shí)系統(tǒng)諧振頻率值及相應(yīng)試件剛度代入到系統(tǒng)頻率方程中，得 到關(guān)于待識(shí)別質(zhì)量和剛度為未知數(shù)的超定方程組；
[0023] 4)通過最小二乘法解超定方程組，得出其關(guān)于質(zhì)量和剛度的最小二乘解，從而得 到一個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組；
[0024] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組，從 而識(shí)別出所述振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量和剛度。
[0025] 進(jìn)一步，所述參數(shù)識(shí)別方法還包括以下步驟：6)進(jìn)行方法精確性驗(yàn)證：在試驗(yàn)臺(tái) 上增加砝碼，改變系統(tǒng)的主振質(zhì)量，采用所提出方法識(shí)別出所添加砝碼的質(zhì)量，并與真實(shí)砝 碼的質(zhì)量做比較，如果相對誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則驗(yàn)證所述參數(shù)識(shí)別方法的合理性。
[0026] 以電磁諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)為例進(jìn)行說明，一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋 擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0027] 1)首先對圖2所示的電磁諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。伺服電機(jī)、渦輪 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)m6和移動(dòng)橫梁m 4通過導(dǎo)向立柱與框架式機(jī)架m 5相連，機(jī)架通過四個(gè)減震彈 簧k5與大地相連。平衡鐵和電磁鐵線圈通過激振彈簧k 3與工作臺(tái)相連，電磁銜鐵、下夾具 和工作臺(tái)通過主振彈簧匕與移動(dòng)橫梁相連。上夾具和法蘭m i通過力傳感器k i與機(jī)架相連， 試件1^2通過銷釘分別與上夾具和下夾具相連。主振質(zhì)量和激振質(zhì)量是影響主機(jī)諧振性能的 關(guān)鍵性因素，其中主振質(zhì)量m 2包括電磁銜鐵、工作臺(tái)以及工作臺(tái)上的法蘭和下夾具的質(zhì)量， 激振質(zhì)量m3包括平衡鐵和電磁鐵線圈。通過研宄系統(tǒng)各機(jī)械部分的連接以及相互作用，建 立了系統(tǒng)振動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果參閱圖3。由于機(jī)座的質(zhì)量!^、!^和&要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的主振 質(zhì)量m 2和激振質(zhì)量m 3，而減震彈簧的剛度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)其它彈簧的剛度，因此系統(tǒng)可以 簡化為三自由度線性振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型，結(jié)果參閱圖4。對于此模型取向下為正方向，根據(jù) 牛頓第二定律和三自由度質(zhì)量一一彈簧系統(tǒng)自由振動(dòng)模型建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法，其特征 在于：包括以下步驟： 1) 對振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建立系統(tǒng)三自由度振動(dòng)力學(xué)模型，并對該力學(xué)模型進(jìn)行 受力分析，得到動(dòng)力學(xué)方程，由動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)得到關(guān)于系統(tǒng)固有頻率、彈簧剛度和質(zhì)點(diǎn)質(zhì) 量關(guān)系的系統(tǒng)頻率方程； 2) 根據(jù)有限元方法計(jì)算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實(shí)驗(yàn)方法測 出裂紋擴(kuò)展到不同長度時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率； 3) 將不同裂紋長度時(shí)系統(tǒng)諧振頻率值及相應(yīng)試件剛度代入到系統(tǒng)頻率方程中，得到關(guān) 于待識(shí)別質(zhì)量和剛度為未知數(shù)的超定方程組； 4) 通過最小二乘法解超定方程組，得出其關(guān)于質(zhì)量和剛度的最小二乘解，從而得到一 個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組； 5) 最后利用Newton-Raphson公式，求解一個(gè)關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組，從而識(shí) 別出所述振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量和剛度。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù) 識(shí)別方法，其特征在于：所述參數(shù)識(shí)別方法還包括以下步驟：6)進(jìn)行方法精確性驗(yàn)證：在試 驗(yàn)臺(tái)上增加砝碼，改變系統(tǒng)的主振質(zhì)量，采用所提出方法識(shí)別出所添加砝碼的質(zhì)量，并與真 實(shí)砝碼的質(zhì)量做比較，如果相對誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則驗(yàn)證所述參數(shù)識(shí)別方法的合理性。
【專利摘要】一種基于軟測量技術(shù)的諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別方法，包括以下步驟：1)建立系統(tǒng)三自由度振動(dòng)力學(xué)模型，得到動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)得到關(guān)于系統(tǒng)固有頻率、彈簧剛度和質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量關(guān)系的系統(tǒng)頻率方程；2)根據(jù)有限元方法計(jì)算出不同裂紋長度下試件的剛度，測出裂紋擴(kuò)展到不同長度時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率；3)將不同裂紋長度時(shí)系統(tǒng)諧振頻率值及相應(yīng)試件剛度代入到系統(tǒng)頻率方程中，得到關(guān)于待識(shí)別質(zhì)量和剛度為未知數(shù)的超定方程組；4)通過最小二乘法解超定方程組，得到關(guān)于質(zhì)量和剛度的非線性方程組；5)利用Newton-Raphson公式，求解非線性方程組，識(shí)別出振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量和剛度。本發(fā)明可操作性良好、成本較低、準(zhǔn)確性良好。
【IPC分類】G01N3-62
【公開號(hào)】CN104777054
【申請?zhí)枴緾N201510050092
【發(fā)明人】高紅俐, 鄭歡斌, 劉輝, 劉歡, 朱亞倫
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月18日