混凝土泵车臂架结构健康监测关键技术研究--《中南大学》2013年博士论文
混凝土泵车臂架结构健康监测关键技术研究
【摘要】：摘要：混凝土泵车是将用于泵送混凝土的泵送机构和用于布料的臂架系统集成在汽车底盘上的专用车辆,具有工作效率高、浇筑质量好、机动灵活等优点。由于工作环境恶劣、维护难度大,以及材料老化、环境侵蚀、疲劳等长期效应与突变等灾害因素相互作用,混凝土泵车结构损伤及故障既有渐变性,又有突发性。如操作不当、维护不及时,均有可能造成重大经济和生命安全问题。
本文在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“远程监控及维护关键技术及单元系统研究”()及“混凝土泵车远程监控及维护应用系统研制”()资助下,以理论研究、仿真分析、实验分析为研究手段,围绕混凝土泵车臂架结构健康监测关键技术问题-结构健康监测方法、传感器布置、监测信号采集处理、特征参数提取、健康状态评价等进行研究。主要研究工作如下：
对混凝土泵车结构及载荷特点进行了分析,对其结构故障进行了统计,采取仿真分析、实验分析方法对泵车臂架结构动静态特性进行研究,提出了基于应变参数的混凝土泵车臂架结构健康监测策略。
对频谱分析、幅值分析及损伤分析的采样频率问题进行了研究。推导了幅值分析及损伤分析误差与采样频率的关系,提出了基于误差控制的应变信号采样策略。将该方法运用到泵车臂架结构健康监测应变信号采样频率的确定,通过实例验证该采样频率满足损伤分析精度要求,能够减少采集的数据量、节省存储空间并提高数据处理及分析的效率。利用小波多分辨率分析理论和方法,对混凝土泵车臂架结构监测应力信号进行了分析处理,对监测信号进行了降噪和奇异值剔除处理,并分析了各种尺度响应信号的分布特征。
提出了基于综合评价法的监测应变传感器优化布置方法。该方法首先根据混凝土泵车臂架结构、工作环境、损伤特点及健康监测内容等确定了影响测点布置的因素集；利用层次分析法(AHP)确定各因素的权重；利用各待选测点应变信号的相关系数构建了模糊支持度矩阵,计算了各待选测点的综合支持度以表征传感器覆盖能力；基于模糊数学的方法和思想,将因素集中的待选测点应力水平、传感器安装难易程度、测点安全性、应力梯度因素进行了分级及标准量化；最后利用加权平均综合评价方法对某泵车臂架待选测点进行了优化布置。
对疲劳累积损伤理论及损伤特征参数提取方法进行了研究。基于疲劳损伤理论,研究了信号分段影响宽带随机应力疲劳损伤计算精度的机理。提出了基于实时监测数据的泵车臂架结构载荷谱提取方法。该方法能够减小长周期应力循环的截断及信号频繁重组,提高了载荷谱的提取精度及疲劳损伤计算准确度。
建立了基于损伤的臂架结构健康状态评价体系,将疲劳损伤引入到结构运行工况健康状态评估、结构周期性点检及寿命评估,为泵车臂架结构健康维护及管理提供依据。将疲劳损伤作为评价指标,结合小波多分辨率分析理论和方法,对臂架结构不同尺度应力响应进行了累积损伤分析,揭示了不同尺度应力响应对臂架结构损伤的影响。
【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TU646;TP274【目录】：
摘要4-6Abstract6-9目录9-131 绪论13-23 1.1 课题来源及研究背景13-14
1.1.1 研究背景13-14
1.1.2 课题来源14 1.2 结构健康监测技术简述14-19
1.2.1 结构健康监测系统组成15
1.2.2 结构健康监测技术国内外研究现状15-17
1.2.3 结构健康监测方法17-18
1.2.4 结构健康监测中的信号处理技术18-19 1.3 混凝土泵车结构健康监测技术研究现状19-20 1.4 存在的问题和本文研究内容20-232 混凝土泵车臂架结构健康监测策略23-40 2.1 泵车结构、载荷及故障特点23-25
2.1.1 臂架系统结构组成23-24
2.1.2 臂架载荷24-25
2.1.3 泵车结构故障特点25 2.2 泵车臂架系统静态特性25-29
2.2.1 静应力测试工况26
2.2.2 测点布置26-27
2.2.3 结果分析27-29 2.3 泵车臂架系统动态特性29-35
2.3.1 动态应力测点布置30
2.3.2 动态应力测试工况30
2.3.3 应力幅分析30-33
2.3.4 短时程应力响应分析33
2.3.5 臂架固有特性分析33-35 2.4 混凝土泵车臂架结构健康监测策略35-38
2.4.1 健康监测目的与功能设计35-36
2.4.2 基于应变的混凝土泵车臂架结构健康监测策略36-38 2.5 本章结论38-403 基于综合评价法的监测传感器优化布置40-54 3.1 引言40 3.2 传感器优化布置方法40-42
3.2.1 基于静态测试的传感器优化布置41
3.2.2 基于动态测试的传感器优化布置41-42 3.3 臂架监测应变传感器布置思路42-43 3.4 基于综合评判法的应变传感器优化布置43-48
3.4.1 测点综合支持度43-45
3.4.2 相关系数测点综合支持度45-46
3.4.3 综合评价法46-48 3.5 某泵车臂架健康监测应变传感器优化布置48-53
3.5.1 测点数量确定49
3.5.2 权向量的计算49-50
3.5.3 测点综合支持度计算50-52
3.5.4 测点安全性及安装性能评级及量化52
3.5.5 测点应力水平、应力梯度的评价52
3.5.6 测点综合评价52-53 3.6 本章小结53-544 结构健康监测信号采集及处理54-73 4.1 引言54-55 4.2 监测信号采样频率55-62
4.2.1 频谱分析采样频率55-56
4.2.2 基于最大误差的幅值分析采样频率56-59
4.2.3 基于最大误差的损伤分析采样频率59-60
4.2.4 非对称循环应力历程损伤分析采样频率60-61
4.2.5 应用实例61-62 4.3 小波多尺度分析原理62-66
4.3.1 小波变换62-63
4.3.2 多尺度分析63-64
4.3.3 小波分析各层频带64-65
4.3.4 小波去噪原理65-66 4.4 臂架监测信号的多尺度特征66-67
4.4.1 长时程应力66
4.4.2 短时程应力66
4.4.3 噪声信号的尺度特征66-67 4.5 基于小波变换的臂架结构监测信号分析实例67-71
4.5.1 监测信号消噪及奇异值剔除67-70
4.5.2 分布特征分析70-71 4.6 本章小结71-735 结构监测应变历程载荷谱实时提取方法73-94 5.1 引言73 5.2 疲劳分析理论73-85
5.2.1 材料S-N曲线73-74
5.2.2 影响机械结构疲劳寿命的因素74-78
5.2.3 疲劳累积损伤模型78-79
5.2.4 载荷谱提取方法79-85 5.3 宽带随机应力历程载荷谱提取误差分析85-89
5.3.1 疲劳损伤对应力幅变化的敏感性分析85-86
5.3.2 载荷谱分段提取误差分析86-89 5.4 基于监测应变的载荷谱提取策略89-90 5.5 实例验证90-93
5.5.1 依据传统载荷谱提取方法的损伤分析90-93
5.5.2 依据优化载荷谱提取方法的损伤分析93 5.6 本章小结93-946 基于疲劳损伤的结构健康状态评估94-109 6.1 引言94 6.2 疲劳寿命估算方法94-96
6.2.1 疲劳寿命估算的步骤94-95
6.2.2 疲劳寿命指标95-96 6.3 基于疲劳损伤的结构健康状态评估策略96-100
6.3.1 臂架结构S-N曲线97-98
6.3.2 健康状态评价指标98-100 6.4 臂架结构工况健康分析实例100-108
6.4.1 不同工况的疲劳损伤强度100-103
6.4.2 基于多尺度特征的监测应力损伤解耦分析103-106
6.4.3 累积损伤对短时程应力的敏感性106-108 6.5 本章小结108-1097 总结与展望109-113 7.1 主要研究工作及结论109-111 7.2 创新点111 7.3 研究展望111-113参考文献113-122攻读学位期间的主要研究成果122-124致谢124
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