[發明專利]多點表面應力監測的應力場重構與損傷評估方法及系統

有效

• 申請號: 202110021975.2
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112834093B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 周偉;張港麗;梁習鋒;魯寨軍;肖合婷;彭勇;方聰聰;吳依桐
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 鄧宇

本發明涉及軌道車輛結構應力場監測與疲勞損傷評估領域，公開一種多點表面應力監測的應力場重構與損傷評估方法及系統，以提高轉向架等目標架構關鍵部位監測與評估的效率。方法包括：建立該待測目標構架的三維模型；通過數值仿真獲取單個荷載下最大結構應力點位置，根據最大結構應力點位置合理布設表面應力監測點，并在各表面應力監測點布設傳感器分別采集各點表面應力；建立多元載荷與結構應力場重構理論模型；獲取各傳感器分別采集的各點表面應力數據，代入多元載荷與結構應力場重構理論模型求解重構后各評估點處結構應力；據此進行目標架構的疲勞損傷及疲勞壽命分析；各評估點包括單荷載下最大結構應力點和所有載荷源作用下的最大結構應力點。

技術領域

本發明涉及軌道車輛結構應力場監測與疲勞損傷評估領域，尤其涉及一種多點表面應力監測的應力場重構與損傷評估方法及系統。

背景技術

軌道車輛長期超載運營可能使關鍵部位的應力幅提高，高應力發生的頻次增多，這些因素可能導致車輛結構不能滿足安全運用要求。高速列車結構在運行過程中總是受到變幅循環載荷的作用，其主要失效形式是疲勞損傷及疲勞裂紋的擴展。由于疲勞損傷的位置很難觀測，損傷位置的應力應變無法直接測量，因此根據多點的測量數據來推測損傷位置的應力應變，進行應力場重構，對于疲勞損傷監測和疲勞壽命估計至關重要。

針對列車關鍵部位的應力場重構與損傷評估問題，目前尚未有成熟的理論及方法。類似的應力場重構方法中，基于經驗模態分解的應力應變重構方法(如專利號：CN201510430615.2)使用經驗模態分解方法從測量數據中提取模態響應，建立應力應變響應的變換方程，根據傳感器測量獲取某位置的測量數據來確定帶測量位置的應力和應變，通過有限元的方法建立在模態坐標中兩不同自由度位移響應之間關系的模態矩陣，通過求解特征值問題得到模態矩陣。該發明使現有的結構健康監測系統(SHM)的稀疏較遠的應變儀能夠直接用于無直接傳感器測量狀態下的關鍵點應力應變的測量，但針對需要傳感器測量的關鍵部位應力應變的應力場重構方法尚不完善。而隨著對列車關鍵結構部位安全性的重視程度提高，需要更簡便的應力場重構解算方法，提高地鐵車輛關鍵部位監測與評估的效率，有效快捷地保障地鐵列車安全。

發明內容

本發明目的在于公開一種多點表面應力監測的應力場重構與損傷評估方法及系統，以提高轉向架等目標架構關鍵部位監測與評估的效率。

為達上述目的，本發明公開一種多點表面應力監測的應力場重構與損傷評估方法，包括以下步驟：

步驟S1、獲取待測的目標構架的幾何參數和材料參數，根據所述幾何參數和材料參數建立該待測目標構架的三維模型；

步驟S2、通過數值仿真獲取單個荷載下最大結構應力點位置，根據所述最大結構應力點位置合理布設表面應力監測點，并在各表面應力監測點布設傳感器分別采集各點表面應力；

步驟S3、通過數值仿真獲取得到各表面應力監測點結構表面應力與外部所有載荷之間的第一重構系數矩陣，以及各評估點處結構應力與共同作用的外部所有載荷之間與六分量相對應的第二重構系數矩陣；根據所述第一重構系數矩陣、第二重構系數矩陣建立多元載荷與結構應力場重構理論模型，所述評估點包括單個荷載下最大結構應力點和所有載荷源同時作用下的最大結構應力點；

步驟S4、獲取各所述傳感器分別采集的各點表面應力數據，將相應采集數據代入所述多元載荷與結構應力場重構理論模型求解重構后的各評估點處結構應力；

步驟S5、根據重構后的各評估點處結構應力進行所述目標架構的疲勞損傷及疲勞壽命分析。

可選地，所述目標架構為轉向架架構。相對應地，步驟S1所述幾何參數包括：側梁、橫梁、縱向連接梁、橫向減振器安裝座、垂向減振器安裝座及各部件安裝座幾何尺寸；所述材料參數包括：鋼板及橫梁鋼管屈服極限、抗拉強度、屈服許用應力、母材疲勞許用應力、打磨焊縫疲勞許用應力、非打磨焊縫疲勞許用應力、轉向架載荷。

優選地，建立多元載荷與結構應力場重構模型包括：