本發(fā)明屬于系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別領(lǐng)域，特別是一種基于振動(dòng)模態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)邊界支承剛度的識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于此對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或技術(shù)改進(jìn)的新方向。有限元建模以及仿真分析的優(yōu)點(diǎn)是可以在結(jié)構(gòu)更新設(shè)計(jì)階段了解結(jié)構(gòu)的特性，同時(shí)可以為相關(guān)的試驗(yàn)提供合理的指導(dǎo)；尤其是計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試誤差較小的模型仿真，使得有限元建模和仿真分析在眾多工程領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。如球磨機(jī)、破碎機(jī)等的大型、重型機(jī)械設(shè)備，常安裝在大塊式混凝土基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)通過周圍的土壓實(shí)來約束。圍繞此類大型設(shè)備開展的基于有限元分析的工作，例如基于有限元分析的磨機(jī)系統(tǒng)工作載荷估計(jì)、基于有限元分析的磨機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部位強(qiáng)度校核及優(yōu)化設(shè)計(jì)等也常有報(bào)道。此外，基于特殊目的而作的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，也在磨機(jī)系統(tǒng)建模中得到應(yīng)用。例如，將磨機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為多自由度的等效動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程，從而分析磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性?，F(xiàn)有報(bào)道的文獻(xiàn)大多是基于有限元模型對(duì)設(shè)備本身的分析，大多并未考慮基礎(chǔ)的影響或是將基礎(chǔ)視為固定的結(jié)構(gòu)。然而，由于設(shè)備的工作環(huán)境以及基礎(chǔ)邊界土的特性，現(xiàn)有的分析方法對(duì)基礎(chǔ)邊界的處理過于剛性。因此，需要對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行包含基礎(chǔ)的系統(tǒng)化分析，并且基于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果識(shí)別基礎(chǔ)的支承剛度對(duì)于基于模型的響應(yīng)分析、預(yù)測(cè)等至關(guān)重要，同時(shí)也是本領(lǐng)域待解決的技術(shù)難題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，公開了一種基于振動(dòng)模態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)邊界支承剛度的識(shí)別方法，可以對(duì)大型設(shè)備的大塊式基礎(chǔ)的支承剛度進(jìn)行識(shí)別；該方法不僅僅局限于磨機(jī)系統(tǒng)，并且對(duì)于其他的大型機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)支承剛度的識(shí)別也具有使用價(jià)值。本發(fā)明公開了一種基于振動(dòng)模態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)邊界支承剛度的識(shí)別方法，其具體步驟如下：1)建立磨機(jī)系統(tǒng)化模型：對(duì)磨機(jī)系統(tǒng)中各組成部件的局部幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后基于前處理軟件采用實(shí)體單元、板單元等對(duì)基礎(chǔ)以及磨機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各個(gè)組件之間的連接采用彈簧阻尼單元描述；這樣的連接方式使得基礎(chǔ)與土邊界的連接視為彈性連接，解決了系統(tǒng)基礎(chǔ)固定帶來的整體系統(tǒng)偏大的問題；2)磨機(jī)系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)：設(shè)計(jì)磨機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)測(cè)試方案，測(cè)試方案中包括安排測(cè)點(diǎn)位置、傳感器類型及方向，設(shè)定測(cè)試頻段以及分辨率，后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確識(shí)別出磨機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的主要模態(tài)信息；采用實(shí)測(cè)磨機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別大塊式基礎(chǔ)邊界支承剛度，給系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別提供了有力的技術(shù)支撐，且由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)源于真實(shí)物理結(jié)構(gòu)的測(cè)試，所識(shí)別的參數(shù)具有說服力；3)相關(guān)性分析：將試驗(yàn)識(shí)別的磨機(jī)系統(tǒng)的主要模態(tài)與有限元模型計(jì)算的主要模態(tài)進(jìn)行比較；采用模態(tài)置信度準(zhǔn)則(ModalAssuranceCriterion，MAC)評(píng)價(jià)模態(tài)振型的相關(guān)性，并計(jì)算對(duì)應(yīng)模態(tài)頻率的誤差；模態(tài)置信度的計(jì)算公式如(1)所示，頻率誤差計(jì)算公式如(2)所示。MACij=|({φie})T({φja})|2({φie})T({φie})({φja})T({φja})---(1)]]>式中分別表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡趇階振型和計(jì)算模型的第j階振型；Δω=ωa-ωeωe---(2)]]>式中，ωa和ωe分別為對(duì)應(yīng)階次的有限元計(jì)算的模態(tài)頻率和試驗(yàn)測(cè)試的模態(tài)頻率；4)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：根據(jù)上述步驟3)相關(guān)性分析結(jié)果，選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)與仿真模態(tài)參數(shù)，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)各階模態(tài)的關(guān)注程度，設(shè)定權(quán)重系數(shù)及函數(shù)類型，得到用于邊界支承剛度識(shí)別的目標(biāo)函數(shù)；5)建立支承參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的代理模型：首先將磨機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)邊界支承剛度參數(shù)化，根據(jù)上述步驟4)中定義的目標(biāo)函數(shù)，采用拉丁超立方抽樣和徑向基函數(shù)近似方法，建立邊界支承剛度與目標(biāo)函數(shù)之間的代理模型，采用決定系數(shù)R2以及相對(duì)均方根誤差(RMSE)對(duì)所建模型的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式分別為：R2=1-Σj=1N(ys(j)-y(j))2Σj=1N(y(j)-y‾)2]]>RMSE=1Ny‾Σi=1N(y-ys)2]]>式中，y和ys分別為設(shè)計(jì)空間各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值和代理模型值，為設(shè)計(jì)空間上各點(diǎn)的均值；RMSE代表了設(shè)計(jì)空間各點(diǎn)試驗(yàn)值和代理模型值之間差異占平均幅值的百分比；R2判斷系數(shù)表示試驗(yàn)值和代理模型值之間的總體差異程度，其取值范圍為0～1，R2越接近1則代理模型越能反映真實(shí)的參數(shù)和響應(yīng)之間的關(guān)系；若代理模型精度滿足工程使用要求，則進(jìn)行下一步，若不滿足要求，則重新抽樣或選擇新的近似方法重新構(gòu)建代理模型；建立高精度的基礎(chǔ)邊界支承剛度與目標(biāo)函數(shù)之間的代理模型，大大減少了磨機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)邊界支承剛度識(shí)別的計(jì)算成本；6)基礎(chǔ)邊界支承剛度識(shí)別；采用全局優(yōu)化方法，在支承剛度的設(shè)計(jì)空間中，對(duì)所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)收斂時(shí)有限元計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)模態(tài)參數(shù)誤差最小，由此確定邊界支承剛度的組合，從而獲得能反映真實(shí)工作狀態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的有限元模型，該方法不僅限于磨機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于其他大型機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)支承剛度也具有使用價(jià)值。進(jìn)一步，所述的步驟1)中的有限元模型包括回轉(zhuǎn)齒輪部、筒體部，主軸承、基礎(chǔ)各組成部件的系統(tǒng)化有限元模型。進(jìn)一步，所述的步驟2)中的模態(tài)試驗(yàn)為運(yùn)行模態(tài)試驗(yàn)。進(jìn)一步，所述的步驟3)中磨機(jī)系統(tǒng)化模型與有限元模型進(jìn)行比較的主要模態(tài)包括軸向、徑向一階模態(tài)及剛體模態(tài)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)，且主要模態(tài)對(duì)邊界支承剛度的變化影響敏感。進(jìn)一步，所述的步驟6)中的全局優(yōu)化方法指智能優(yōu)化算法，包括遺傳算法，粒子群優(yōu)化方法，采用全局優(yōu)化計(jì)算識(shí)別參數(shù)，有效避免參數(shù)落入局部最優(yōu)中的可能，保證能識(shí)別的磨機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)邊界支承剛度是設(shè)計(jì)空間中的全局最優(yōu)解。附圖說明圖1是本發(fā)明基于振動(dòng)模態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)邊界支承剛度的識(shí)別方法的方法流程圖；圖2是本發(fā)明基礎(chǔ)邊界支承剛度和目標(biāo)函數(shù)的代理模型關(guān)系示意圖；圖3是本發(fā)明參數(shù)識(shí)別過程中參數(shù)的收斂曲線；圖4是本發(fā)明參數(shù)識(shí)別過程中目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線。具體實(shí)施方式本發(fā)明的利用一臺(tái)Φ7.32×12.5m的球磨機(jī)，部件包括基礎(chǔ)、主軸承、筒體等，其有限元的組成單元包含86164個(gè)實(shí)體單元，15603個(gè)板單元，660個(gè)桿單元和3805個(gè)點(diǎn)單元；如圖1所示是本發(fā)明具體實(shí)施的流程圖，具體步驟如下：1)建立磨機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)化模型：首先對(duì)系統(tǒng)中各組件的局部幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，將磨機(jī)系統(tǒng)中各組成部件分別建模并連接。磨機(jī)系統(tǒng)有限元模型包括回轉(zhuǎn)齒輪部、筒體部，主軸承、基礎(chǔ)等組成部件，是一個(gè)系統(tǒng)化的模型。在建模過程中，筒體部、中空軸等處采用板單元建模、基礎(chǔ)采用實(shí)體單元建模、各組件之間的連接采用彈簧阻尼單元進(jìn)行連接、基礎(chǔ)邊界支承剛度采用彈簧單元模擬；2)磨機(jī)系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)：設(shè)計(jì)磨機(jī)系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試方案，在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行磨機(jī)系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)。為測(cè)量磨機(jī)系統(tǒng)的整體模態(tài)并考慮到測(cè)試儀器通道的限制，將測(cè)點(diǎn)布置在主軸承座以及兩側(cè)電機(jī)座基礎(chǔ)上。由于所關(guān)注的主要是磨機(jī)系統(tǒng)的低階頻率，因此在試驗(yàn)過程中采用低頻加速度傳感器測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的在0～50Hz內(nèi)的加速度響應(yīng)。測(cè)試完成后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用運(yùn)行模態(tài)分析(OperationalModalAnalysis，OMA)方法準(zhǔn)確識(shí)別出磨機(jī)系統(tǒng)的主要模態(tài)信息；3)進(jìn)行相關(guān)性分析；步驟2)中識(shí)別的主要模態(tài)信息包括軸向一階、徑向一階模態(tài)以及系統(tǒng)的剛體模態(tài)，采用模態(tài)置信度準(zhǔn)則評(píng)價(jià)模態(tài)振型的相關(guān)性，并計(jì)算對(duì)應(yīng)模態(tài)頻率的誤差，具體計(jì)算結(jié)果如下表：表1識(shí)別前有限元計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試的頻率及誤差振型試驗(yàn)頻率(Hz)有限元頻率(Hz)誤差(％)軸向一階4.093.94-3.67徑向一階5.134.67-8.97上下平動(dòng)9.168.59-6.22左右擺動(dòng)11.4410.69-6.56由表1中數(shù)據(jù)可知，所建立的有限元模型所計(jì)算的頻率與試驗(yàn)測(cè)試的頻率之間誤差較大，因此需要根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。4)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)與仿真模態(tài)參數(shù)，即表1中的四階模態(tài)，根據(jù)對(duì)不同階次模態(tài)的關(guān)注程度，取軸向、徑向一階模態(tài)以及兩階剛體模態(tài)的權(quán)重分別為3、5、2、2，并對(duì)模態(tài)頻率誤差的絕對(duì)值進(jìn)行加權(quán)，從而得到邊界支承剛度識(shí)別的目標(biāo)函數(shù)；5)建立支承參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的代理模型：首先將磨機(jī)系統(tǒng)的邊界支承剛度參數(shù)化，根據(jù)上述步驟4)中定義的目標(biāo)函數(shù)，采用拉丁超立方抽樣方法和徑向基函數(shù)近似方法，建立邊界支承剛度與目標(biāo)函數(shù)之間的代理模型；采用決定系數(shù)和相對(duì)均方根誤差指標(biāo)對(duì)模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證；本例的實(shí)施過程中，目標(biāo)函數(shù)的代理模型的決定系數(shù)為0.998，相對(duì)均方根誤差均小于1.02×10-3，代理模型精度滿足工程使用要求。6)基礎(chǔ)邊界支承剛度識(shí)別：采用遺傳算法，在支承剛度的設(shè)計(jì)空間中，對(duì)所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)收斂時(shí)有限元計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)應(yīng)模態(tài)參數(shù)誤差最小，由此確定邊界支承剛度的組合，從而獲得能反映真實(shí)工作狀態(tài)的磨機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的有限元模型。如圖3～4所示，在本例的實(shí)施過程中，在初始有限元模型中，底面剛度和側(cè)面剛度均設(shè)置為8000N/m，識(shí)別的結(jié)果為10097N/mm和5548N/mm，底面和側(cè)面剛度均得到了收斂的結(jié)果；初始模型所計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)與試驗(yàn)存在較大的差距，基于遺傳算法的參數(shù)識(shí)別有效降低了目標(biāo)函數(shù)的值，即有限元模型計(jì)算與試驗(yàn)之間存在的誤差。當(dāng)前第1頁1 2 3