一種薄殼流固耦合振動檢測系統及其控制方法與流程

本發明涉及機電液一體化工程檢測與控制領域，尤其是涉及面向一種薄殼流固耦合振動檢測系統及其控制方法。

背景技術：

薄壁管殼以其良好的力學性能與幾何特性而被廣泛應用于土木、船舶、石油、化工、采礦、冶金、電氣、航空、航天、機械、農業、食品、醫療、生物等多個工程領域。隨著現代工業技術的不斷發展，薄壁管殼的振動與噪聲問題逐步引起關注。

薄壁管殼振動動力學模型主要分為兩類：梁結構模型和殼結構模型。對于l/d(l為管長，d為管外徑)較大的長管可用歐拉-伯努利(euler-bernoulli)梁模型或鐵木辛克(timoshenko)梁模型來分析；對于薄壁管殼(徑厚比＞10)，由于振動時所對應的周向模數較大，且當管壁的厚度同其它幾何尺寸(公稱半徑、長度)相比較小時，宜采用殼模型進行研究。

在實際工業應用中，薄壁管殼(如壓力容器、石油管道、航天器外殼)一般以流固耦合的方式出現，主要分為流體在薄殼內與流體在薄殼外兩種形態。管殼在多場、多激勵的沖擊作用條件下，會產生一定幅度的振動與噪聲；在某些特殊情況下，沖擊振動會致使管殼疲勞斷裂，造成嚴重的生產事故。因此，研究薄壁管殼流固耦合沖擊振動產生機理，確定其振動能量流傳播規律與聲場輻射特性，無論是對管殼構件的制造，還是對相關工程裝備的檢測與控制，都具有重要的實際意義。

當前關于薄壁管殼的振動特性檢測系統多以檢測其靜態力學性能為主，關于其動力學特性的檢測的方法與裝置較少，且多集中在真空條件下的振動模態分析與頻散特性掃描等方面。因此，研發一種薄殼流固耦合振動檢測系統是非常有必要的。

技術實現要素：

為了解決薄殼流體沖擊振動動力學特性分析及其相關技術問題，本發明提供一種可實現薄殼流固耦合振動的在線檢測與自動化控制，并可提供更加高效、柔性的檢測規程與方案的薄殼流固耦合振動檢測系統及其控制方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種薄殼流固耦合振動檢測系統，所述薄殼流固耦合振動檢測系統實現薄殼在流體沖擊下的流固耦合振動信號檢測，由機械動力子系統、流體控制子系統與振動檢測分析子系統組成；

所述機械動力子系統用于裝置物理實體的支撐框架與流體的容納，以及驅動擾動執行機構使流體產生一定的初始擾動，進而產生流體沖擊；所述機械動力子系統包括實體支撐模塊、流體容器模塊和初始擾動模塊；

所述流體控制子系統用于實現薄殼流固耦合振動檢測過程中的流體輸送、循環、流量控制和溢流控制，所述流體控制子系統包括流體循環模塊、流量控制模塊和流體溢流模塊；

所述振動檢測分析子系統用于實現流體沖擊條件下的薄殼流固耦合振動數據的采集、轉換和處理，所述振動檢測分析子系統包括信號采集模塊、a/d轉換模塊與數據處理模塊。

進一步，所述實體支撐模塊由4040鋁合金型材與配對的角件搭建而成；所述4040鋁合金型材是支撐架，相互之間由角件相連接而成，通過t型螺栓、法蘭螺母緊固安裝在對應的角件上，實現對實驗平臺各個功能模塊的固定和連接。

再進一步，所述流體容器模塊由雙圓筒組合容器、排流管、溶池容器組成；所述的雙圓筒組合容器由透明的pet材料制作而成，通過粘合連接方式固定在實體支撐模塊上；雙圓筒組合容器包含流體容納容器與管殼容器，流體容納容器用以容納產生運動的流體，表面標有容積刻度，以便于觀察容器中流體的容積變化情況；管殼容器通過粘接方式與流體容納容器相連；管殼容器通過管螺紋與排流管連接；排流管一端與管殼容器相連，另一端伸入溶池容器內；所述的溶池容器聚氯乙烯硬質材料制成，位于排流口的正下方，主要用來接納從管殼容器中排出的流體。

更進一步，所述初始擾動模塊包含工業pc機、電機驅動模塊、步進電機、彈性聯軸器以及擾動執行機構；所述的工業pc機向用戶提供操作面板接口，向電機驅動模塊發送脈沖控制信息，實現對步進電機轉速與運行時長的控制；所述的電機驅動模塊主體為脈寬調制信號發生器，接收由工業pc機發出的控制指令，然后根據實驗配置參數，通過控制脈沖的個數來控制角位移量；電機驅動模塊通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到對擾動執行機構的調速與定位；所述的步進電機在電機驅動模塊的控制下，通過彈性聯軸器，將動力傳遞至擾動執行機構；所述的擾動執行機構為t型攪拌葉片，在步進電機的驅動下，使容納容器內的流體產生初始流場擾動。

所述流體循環模塊包括小功率水泵、橡膠軟管和塑料水龍頭，所述的小功率水泵放置于溶池容器底部，并通過橡膠軟管將流體重新循環排入雙圓筒組合容器中，實現流體的循環利用；所述的橡膠軟管用捆綁的方式固定于實體支撐模塊上，用于連接小功率水泵和塑料水龍頭，作為流體的運輸管道；所述的塑料水龍頭安裝于容納容器的上方，用來控制循環水流的開關以及流量。

所述流量控制模塊由多級截流裝置和排流蓋組成；所述的多級截流裝置由pla材料3d打印而成，用來實現流體排出過程的流量精確分級調控；多級截流裝置的上接口為圓形，用管螺紋的方式與管殼容器下端相連；多級截流裝置的下接口通過管螺紋與排流蓋相連，排流蓋實現排流口的封閉。

所述的流體溢流模塊由溢流孔和橡膠軟管組成；所述的溢流孔位于流體容納容器壁面上，當水位線到達此處時，流體將從溢流孔流出；所述的橡膠軟管用粘接方式固定在溢流孔口，作為從溢流孔流出流體的管道，將溢出流體引流至溶池容器中。

所述信號采集模塊包括內置集成電路振動傳感器、傳感器底座、恒流適配器和雙芯電纜，所述的內置集成電路振動傳感器為壓電感應式，采集管殼容器壁面因流體沖擊產生的流固耦合振動信號；內置集成電路振動傳感器的下端通過螺紋緊固方式與傳感器底座相連接，用以保護傳感器內部感應器件與集成電路；傳感器底座通過粘接方式與管殼容器壁面相連接，且保證一定的接觸剛度，使振動信號能夠順利地從管殼容器壁面傳遞至振動傳感器；所述的恒流適配器的輸入端通過雙芯電纜與內置集成電路振動傳感器的上端相連，對振動傳感器因其高阻抗而產生的微弱電荷信號進行增益放大，并結合內置電壓跟隨器將傳感器的高阻抗輸出信號轉換為低阻抗輸出信號；所述的恒流適配器的輸出端通過雙芯電纜與a/d轉換模塊相連接，a/d轉換模完成振動信號的模/數轉換，并通過內置帶通濾波器將振動信號頻率鎖定在0.3～100khz之間，然后上傳至數據處理模塊；所述的雙芯電纜為連接振動傳感器、恒流適配器與a/d轉換模塊的復用電纜，實現信號傳輸與供電功能。

所述的數據處理模塊接收a/d轉換模塊的振動信號離散數據，實現振動信號的時域、頻域計算、顯示和按需存儲功能。

一種薄殼流固耦合振動檢測系統的控制方法，所述控制方法包括如下步驟：

①系統啟動，進行初始化參數設置，所設置的參數包括當地時間、擾動級別、截流裝置開口、采樣頻率、采樣點數、存儲文件大小和重復檢測次數；

②工業pc機發送驅動指令至電機驅動模塊，電機驅動模塊驅動步進電機，步進電機帶動t型攪拌葉片，產生流場初始擾動；

③流場初始擾動是否達到所設置的擾動級別閾值？若達到，則電機停止運轉，打開排流蓋；若未達到，則電機繼續運轉，直至達到擾動級別閾值；

④信號采集模塊通過振動傳感器采集管殼容器壁面流固耦合振動信號序列，進行a/d轉化后，傳送至數據處理模塊；

⑤數據處理模塊通過多線程技術對離散振動信號分別進行時域、頻域處理，并根據當前用戶任務需求，通過對話框顯示實時數據曲線；

⑥用戶是否需要存儲當前信號序列？若需要，則當前時間點前后3倍采樣點數的數據將被存入緩沖區，并根據存儲文件大小，分割成相應的數據文件，并已當地時間+序列號的形式命名；

⑦是否達到檢測次數？若達到，則停止檢測；若未達到，則退回至第②步，重新進行檢測，直到達到實驗次數。

本發明的有益效果主要表現在：

1)可實現薄殼流固耦合振動的在線檢測與自動化控制，并可提供更加高效、柔性的檢測規程與方案。

2)可以直接采集、分析薄殼振動信號的基本參數，把模型檢測到的結果定性或定量地轉化為實際流動現象，為相關工程檢測系統提供依據。

3)不受數學方程形式以及邊界條件的限制，可以在其能夠提供的物理空間內自由的對相關問題進行研究。

附圖說明

圖1是檢測系統結構示意圖；圖1中：1-鋁合金型材支架2-pet雙圓筒組合容器3-溶池容器4-小功率水泵5-橡膠軟管6-塑料水龍頭7-步進電機8-彈性聯軸器9-t型攪拌葉片10-pla多級截流裝置11-排流蓋12-icp振動傳感器13-恒流適配器14-數據采集卡15-工業pc機16-電機驅動模塊17-溢流橡膠軟管。

圖2是檢測系統工作流程圖。

具體實施方式

結合附圖，下面對本發明進行詳細說明。

參照圖1和圖2，一種薄殼流固耦合振動檢測系統，實現薄殼在流體沖擊下的流固耦合振動信號檢測，由機械動力子系統、流體控制子系統與振動檢測分析子系統組成。

上述功能框架中，機械動力子系統主要包含實體機械的支撐框架與流體的容納，以及驅動旋轉葉片使流體產生一定的初始擾動，實現初始流場擾動的產生。流體控制子系統實現流體沖擊形成過程的振動分析實驗過程中的流體輸送、循環、流量控制和溢流控制等功能。所述的振動監測分析子系統為本發明的實時觀測部分，實現非線性流體沖擊形成過程的流固耦合振動分析數據采集、轉換、處理、顯示、存儲等功能。

本發明所涉及的機械動力子系統由實體支撐模塊、流體容器模塊、初始擾動模塊組成，用于裝置物理實體的支撐框架與流體的容納，以及驅動擾動執行機構使流體產生一定的初始擾動，進而產生流體沖擊。機械動力子系統所包含各功能模塊的具體技術細節如下：

①實體支撐模塊由4040鋁合金型材與配對的角件搭建而成，如附圖1所示。4040鋁合金型材是主要的支撐架，相互之間由角件相連接而成，通過t型螺栓、法蘭螺母緊固安裝在對應的角件上，實現對實驗平臺各個功能模塊的固定、連接等功能。

②流體容器模塊由雙圓筒組合容器、排流管、溶池容器組成，如附圖1所示。雙圓筒組合容器由透明的pet材料制作而成，通過粘合連接方式固定在實體支撐模塊上。雙圓筒組合容器包含流體容納容器與管殼容器，其中流體容納容器直徑較大，用以容納產生運動的流體(設計容積為20升)，表面標有容積刻度，以便于觀察容器中流體的容積變化情況。管殼容器通過粘接方式與流體容納容器相連，其直徑較小，外殼為本系統的檢測目標，即薄殼壁面。管殼容器通過管螺紋與排流管連接；排流管一端與管殼容器相連，另一端伸入溶池容器內。溶池容器聚氯乙烯硬質材料制成，設計容積為40升，位于排流口的正下方，主要用來接納從管殼容器中排出的流體。

③初始擾動模塊包含工業pc機、步進電機、電機驅動模塊、彈性聯軸器以及t型攪拌葉片，如附圖1所示。此模塊的執行流程：用戶通過工業pc機向電機驅動模塊發出控制信息，驅動模塊接收并根據控制信息向步進電機發出相應的脈沖信號，步進電機接收到信號并通過聯軸器帶動t型攪拌葉片轉動。工業pc機用于面向用戶的直接操作，向電機驅動模塊發送脈沖控制信息，并通過驅動模塊來達到對步進電機轉速與運行時長的控制。步進電機固定在機械支撐模塊上，為t型攪拌葉片旋轉提供動力，此項操作中轉速較為緩慢，只為容器中的流體提供一個初始擾動而讓其更易產生流體沖擊，步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源(步進電機驅動器)。電機驅動模塊(脈沖信號發生器)接收由工業pc機發出的控制指令，然后根據其控制要求，通過控制脈沖的個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，控制步進電機的運行狀態。彈性聯軸器用來連接步進電機和t型攪拌葉片，實現在步進電機驅動時將動力轉遞給t型攪拌葉片，從而使t型攪拌葉片開始轉動。t型攪拌葉片由pla材料3d打印而成，用來使流體容納容器中的流體產生一定的初始擾動，以使目標流體更有效率地產生流體沖擊。

本發明所涉及的流體子系統，由流體循環模塊、流量控制模塊和流體溢流模塊組成，如附圖1所示，實現薄殼流固耦合振動檢測過程中的流體輸送、循環、流量控制和溢流控制等功能。流體控制子系統所包含各功能模塊的具體技術細節如下：

①流體循環模塊由小功率水泵、橡膠軟管、塑料水龍頭組成，如附圖1所示。小功率水泵安放于流體容納容器底部，并通過橡膠軟管將流體重新循環排入流體容納容器中進行下一次的檢測，實現了流體的循環利用。需要注意的是，要保證流體容納容器內水位線高于水泵，以免造成不必要的損失。橡膠軟管用捆綁的方式固定于權利實體支撐模塊上，用于連接小功率水泵和塑料水龍頭，作為流體的運輸管道。塑料水龍頭安裝于流體容納容器的上方，用來控制循環水流的開關以及流量。

②流量控制模塊由多級截流裝置和排流蓋組成，如附圖1所示。多級截流裝置由pla材料3d打印而成，用來實現對實驗流體不同流量的控制，并提供多個排流口尺寸(出口直徑)：12mm、16mm、20mm、24mm、28mm、32mm。上接口為圓形，用螺紋的方式與管殼容器出水口緊密連接在一起，下接口(即出水口)也同樣用螺紋的方式與排流蓋連接在一起。排流蓋內置螺紋，形狀為圓形，與排流口連接，從而實現對圓柱體容器中實驗流體的排流開關(開始排流時，只需打開排流蓋即可)。

③流體溢流模塊由溢流孔和橡膠軟管組成，如附圖1所示。溢流孔處于流體容納容器壁面上，當水位線到達此處時，實驗流體將從溢流孔流出，防止流體過多而從雙圓柱體容器口溢出。橡膠軟管用膠合的方式固定在溢流孔口，作為從溢流孔流出流體的管道，將溢出流體引流至溶池容器中。

此子系統與機械子系統相輔相成。機械子系統中的雙圓筒組合容器和溶池容器中都盛載著實驗流體，在非檢測狀態時，由于排流蓋的存在，兩部分的流體靜止無流通。流體從雙圓筒組合容器中排流進入溶池容器這階段為本系統的檢測階段，只要打開排流蓋就能開啟此階段。當一次檢測結束需進行再一次實驗時，流體循環模塊開始工作，水泵將溶池容器中的流體通過橡膠軟管重新排放回雙圓筒組合容器中，實現循環實驗的功能。

本發明所涉及的振動分析子系統，通過振動分析系統實時采集流體沖擊形成的薄殼壁面振動信號，實現流體沖擊壁面耦合振動數據的采集、轉換、處理、顯示、存儲等功能。振動分析系統包含信號采集模塊、a/d轉換模塊與數據處理模塊，具體技術細節如下：

①信號采集模塊由內置集成電路(icp)振動傳感器、傳感器底座、恒流適配器以及雙芯電纜構成。icp振動傳感器為加速度式傳感器，為了能采集到pet材料圓筒內產生的振動信號，此實例選取電壓靈敏度為200mv/g，量程為25g的icp振動傳動器。傳感器用螺紋的方式與其所配對的底座緊密連接在一起，采集由壁面產生并通過底座傳來的振動信號。壓電傳感器具有很高阻抗，它產生的是微弱的電荷信號，所述的icp傳感器內置的高輸入阻抗放大電路將信號進行增益放大，而內置的電壓跟隨器將傳感器的高阻抗輸出信號轉換為低阻抗信號。底座用粘接的方式安裝于管殼容器的壁面，其能將壁面振動傳遞給傳感器，而且能對icp振動傳感器進行保護以免造成傳感器的損壞。由于電路內部存在一些噪聲源，而檢測過程的振動沖擊力小，信號較弱，為了使小信號不被電路噪聲所淹沒，必須在電路前端加入放大器電路，增益所采集到的信號。而且放大電路必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。本發明采用的icp振動傳感器已內置此類放大電路，但需要對傳感器恒流供電。恒流適配器作為icp振動傳感器和a/d轉換模塊之間的橋梁，不僅為icp傳感器提供穩定的電源，而且內置高通濾波器和低通濾波器，上限頻率為100khz,下限頻率為0.3hz。在信號傳輸過程會存在一些干擾信號，需對信號進行濾波處理。濾波器產生的電路噪聲比較大，如果放在放大器后面，濾波器的噪聲將會被放大器放大，使電路輸出信噪比降低。所以將濾波器放于放大器之后有利于減小電路的等效輸入噪聲，此處濾波已在放大器之后。恒流適配器將接收到的信號進行濾波處理，最后將信號傳輸給a/d轉換模塊。雙芯電纜作為icp傳感器與恒流適配器之間的連接橋梁，起到信號傳輸以及供電傳輸的功能。

②a/d轉換模塊由數據采集卡構成。此處數據采集卡的模擬輸入量程為±10v，擁有12位分辨率，100ks/s的采樣率，滿足實驗的要求。數據采集卡負責接收恒流適配器調理過后的信號，然后對信號進行處理，最后將信號由模擬信號轉換為數字信號發送給數據處理模塊。實現了對信號的a/d轉換功能。

③數據處理模塊運行于工業pc機上，集成數據采集、顯示和記錄等功能。此模塊接收經數據采集卡處理后的信號信息，然后實現對其信號進行時域、頻域分析的功能。

振動分析子系統的執行流程：薄壁振動信號通過底座傳遞給振動傳感器，內置電路的傳感器將信號放大后傳輸給恒流適配器。恒流適配器將信號進行濾波處理，最后將信號傳輸給數據采集卡。數據采集卡將信號由模擬信號轉換成數字信號傳輸給pc端進行最終處理。pc端對信號進行時域、頻域等分析，達到檢測的最終目的。

本發明的工作控制流程如附圖2所示。通過pc端發控制信號給步進電機驅動板，接著電機驅動板將驅動步進電機，通過聯軸器帶動t型攪拌葉片轉動。當攪拌葉片轉動時，圓柱體容器內部的流體將會產生一定的初始擾動。此時只要打開排流蓋，圓柱體容器內部的流體將會排流出來，慢慢形成匯流旋渦。與此同時，icp振動傳感器將會實時采集振動信號，并通過數據采集卡進行信號轉換傳遞到pc端。pc端可以對信號進行時域頻率的分析，達到實驗目的完成一輪實驗過程。如要進行下一次實驗，只需將塑料水龍頭和水泵打開，將流體注流回圓柱體容器中即可。控制方法的具體實施步驟可描述如下：

①系統啟動，進行初始化參數設置，所設置的參數包括當地時間、擾動級別、截流裝置開口、采樣頻率、采樣點數、存儲文件大小和重復檢測次數。

②工業pc機發送驅動指令至電機驅動模塊，電機驅動模塊驅動步進電機，步進電機帶動t型攪拌葉片，產生流場初始擾動。

③流場初始擾動是否達到所設置的擾動級別閾值？若達到，則電機停止運轉，打開排流蓋；若未達到，則電機繼續運轉，直至達到擾動級別閾值。

④信號采集模塊通過振動傳感器采集管殼容器壁面流固耦合振動信號序列，進行a/d轉化后，傳送至數據處理模塊。

⑤數據處理模塊通過多線程技術對離散振動信號分別進行時域、頻域處理，并根據當前用戶任務需求，通過對話框顯示實時數據曲線。

⑥用戶是否需要存儲當前信號序列？若需要，則當前時間點前后3倍采樣點數的數據將被存入緩沖區，并根據存儲文件大小，分割成相應的數據文件，并已當地時間+序列號的形式命名。

⑦是否達到檢測次數？若達到，則停止檢測；若未達到，則退回至第②步，重新進行檢測，直到達到實驗次數。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的一個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。