一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及振動系統參數識別技術領域，特別涉及一種基于軟測量技術的諧振式 疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法。
【背景技術】
[0002] 電磁諧振式高頻疲勞試驗機的工作性能直接影響著試驗結果的準確性，即在裂紋 擴展過程中嚴格跟蹤系統的固有頻率并控制試驗載荷的穩定性，為達到這一目的，需建立 系統的動力學模型，并對系統的動態特性進行精確的分析，這樣首先需要對振動系統的質 點質量和彈簧剛度進行測量和計算，但振動系統的質點是由多個不同形狀、材質的部件組 成，對質點質量進行直接測量有很大的局限性，雖然系統的剛度一般可通過有限元方法計 算，但一些振動系統的彈簧形狀、受力、約束較為復雜，在模型的建立過程中會有很多繁瑣 的工作。
【發明內容】
[0003] 為了克服已有諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方式的可操作性較 差、成本較高、準確性較差的不足，本發明提供一種可操作性良好、成本較低、準確性良好的 基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0005] 一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法，包括 以下步驟：
[0006] 1)對振動系統進行結構分析，建立系統三自由度振動力學模型，并對該力學模型 進行受力分析，得到動力學方程，由動力學方程推導得到關于系統固有頻率、彈簧剛度和質 點質量關系的系統頻率方程；
[0007] 2)根據有限元方法計算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實驗方 法測出裂紋擴展到不同長度時系統的諧振頻率；
[0008] 3)將不同裂紋長度時系統諧振頻率值及相應試件剛度代入到系統頻率方程中，得 到關于待識別質量和剛度為未知數的超定方程組；
[0009] 4)通過最小二乘法解超定方程組，得出其關于質量和剛度的最小二乘解，從而得 到一個關于質量和剛度的非線性方程組；
[0010] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一個關于質量和剛度的非線性方程組，從 而識別出所述振動系統參數質量和剛度。
[0011] 進一步，所述參數識別方法還包括以下步驟：6)進行方法精確性驗證：在試驗臺 上增加砝碼，改變系統的主振質量，采用所提出方法識別出所添加砝碼的質量，并與真實砝 碼的質量做比較，如果相對誤差在預設范圍內，則驗證所述參數識別方法的合理性。
[0012] 本發明的有益效果是：本發明基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系 統的參數識別方法通過把振動系統模型簡化之后，建立系統的動力學方程，推導其系統頻 率方程，利用有限元方法計算出不同裂紋長度下試件的剛度，利用固有頻率測量實驗方法 測出裂紋擴展到不同長度時系統的諧振頻率，把相應的試件剛度及諧振頻率代入系統頻率 方程求解即可進行振動系統參數識別。實驗可操作性強，單次實驗費用較低。通過這種方 法能夠準確地識別出振動系統的質量與剛度。
【附圖說明】
[0013] 圖1是基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法基 本流程示意圖；
[0014] 圖2是基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法中 電磁諧振式疲勞試驗機（PLG-100)結構圖；
[0015] 圖3是基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法中 系統的振動力學模型；
[0016] 圖4是基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法中 三自由度線性振動系統力學模型；
[0017] 圖5是基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法中 標準CT試件尺寸圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0019] 參照圖1~圖5, 一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參 數識別方法，包括以下步驟：
[0020] 1)對振動系統進行結構分析，建立系統三自由度振動力學模型，并對該力學模型 進行受力分析，得到動力學方程，由動力學方程推導得到關于系統固有頻率、彈簧剛度和質 點質量關系的系統頻率方程；
[0021] 2)根據有限元方法計算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實驗方 法測出裂紋擴展到不同長度時系統的諧振頻率；
[0022] 3)將不同裂紋長度時系統諧振頻率值及相應試件剛度代入到系統頻率方程中，得 到關于待識別質量和剛度為未知數的超定方程組；
[0023] 4)通過最小二乘法解超定方程組，得出其關于質量和剛度的最小二乘解，從而得 到一個關于質量和剛度的非線性方程組；
[0024] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一個關于質量和剛度的非線性方程組，從 而識別出所述振動系統參數質量和剛度。
[0025] 進一步，所述參數識別方法還包括以下步驟：6)進行方法精確性驗證：在試驗臺 上增加砝碼，改變系統的主振質量，采用所提出方法識別出所添加砝碼的質量，并與真實砝 碼的質量做比較，如果相對誤差在預設范圍內，則驗證所述參數識別方法的合理性。
[0026] 以電磁諧振式疲勞試驗機為例進行說明，一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋 擴展試驗振動系統的參數識別方法，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機的結構進行了分析。伺服電機、渦輪 蝸桿傳動機構m6和移動橫梁m 4通過導向立柱與框架式機架m 5相連，機架通過四個減震彈 簧k5與大地相連。平衡鐵和電磁鐵線圈通過激振彈簧k 3與工作臺相連，電磁銜鐵、下夾具 和工作臺通過主振彈簧匕與移動橫梁相連。上夾具和法蘭m i通過力傳感器k i與機架相連， 試件1^2通過銷釘分別與上夾具和下夾具相連。主振質量和激振質量是影響主機諧振性能的 關鍵性因素，其中主振質量m 2包括電磁銜鐵、工作臺以及工作臺上的法蘭和下夾具的質量， 激振質量m3包括平衡鐵和電磁鐵線圈。通過研宄系統各機械部分的連接以及相互作用，建 立了系統振動力學模型，結果參閱圖3。由于機座的質量!^、!^和&要遠遠大于系統的主振 質量m 2和激振質量m 3，而減震彈簧的剛度又遠遠小于系統其它彈簧的剛度，因此系統可以 簡化為三自由度線性振動系統力學模型，結果參閱圖4。對于此模型取向下為正方向，根據 牛頓第二定律和三自由度質量一一彈簧系統自由振動模型建立系統運動方程為：
【主權項】
1. 一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法，其特征 在于：包括以下步驟： 1) 對振動系統進行結構分析，建立系統三自由度振動力學模型，并對該力學模型進行 受力分析，得到動力學方程，由動力學方程推導得到關于系統固有頻率、彈簧剛度和質點質 量關系的系統頻率方程； 2) 根據有限元方法計算出不同裂紋長度下試件的剛度，通過固有頻率測量實驗方法測 出裂紋擴展到不同長度時系統的諧振頻率； 3) 將不同裂紋長度時系統諧振頻率值及相應試件剛度代入到系統頻率方程中，得到關 于待識別質量和剛度為未知數的超定方程組； 4) 通過最小二乘法解超定方程組，得出其關于質量和剛度的最小二乘解，從而得到一 個關于質量和剛度的非線性方程組； 5) 最后利用Newton-Raphson公式，求解一個關于質量和剛度的非線性方程組，從而識 別出所述振動系統參數質量和剛度。
2. 如權利要求1所述的基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數 識別方法，其特征在于：所述參數識別方法還包括以下步驟：6)進行方法精確性驗證：在試 驗臺上增加砝碼，改變系統的主振質量，采用所提出方法識別出所添加砝碼的質量，并與真 實砝碼的質量做比較，如果相對誤差在預設范圍內，則驗證所述參數識別方法的合理性。
【專利摘要】一種基于軟測量技術的諧振式疲勞裂紋擴展試驗振動系統的參數識別方法，包括以下步驟：1)建立系統三自由度振動力學模型，得到動力學方程，推導得到關于系統固有頻率、彈簧剛度和質點質量關系的系統頻率方程；2)根據有限元方法計算出不同裂紋長度下試件的剛度，測出裂紋擴展到不同長度時系統的諧振頻率；3)將不同裂紋長度時系統諧振頻率值及相應試件剛度代入到系統頻率方程中，得到關于待識別質量和剛度為未知數的超定方程組；4)通過最小二乘法解超定方程組，得到關于質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，識別出振動系統參數質量和剛度。本發明可操作性良好、成本較低、準確性良好。
【IPC分類】G01N3-62
【公開號】CN104777054
【申請號】CN201510050092
【發明人】高紅俐, 鄭歡斌, 劉輝, 劉歡, 朱亞倫
【申請人】浙江工業大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月18日