一种薄壳流固耦合振动检测系统及其控制方法与流程

本发明涉及机电液一体化工程检测与控制领域，尤其是涉及面向一种薄壳流固耦合振动检测系统及其控制方法。

背景技术：

薄壁管壳以其良好的力学性能与几何特性而被广泛应用于土木、船舶、石油、化工、采矿、冶金、电气、航空、航天、机械、农业、食品、医疗、生物等多个工程领域。随着现代工业技术的不断发展，薄壁管壳的振动与噪声问题逐步引起关注。

薄壁管壳振动动力学模型主要分为两类：梁结构模型和壳结构模型。对于l/d(l为管长，d为管外径)较大的长管可用欧拉-伯努利(euler-bernoulli)梁模型或铁木辛克(timoshenko)梁模型来分析；对于薄壁管壳(径厚比＞10)，由于振动时所对应的周向模数较大，且当管壁的厚度同其它几何尺寸(公称半径、长度)相比较小时，宜采用壳模型进行研究。

在实际工业应用中，薄壁管壳(如压力容器、石油管道、航天器外壳)一般以流固耦合的方式出现，主要分为流体在薄壳内与流体在薄壳外两种形态。管壳在多场、多激励的冲击作用条件下，会产生一定幅度的振动与噪声；在某些特殊情况下，冲击振动会致使管壳疲劳断裂，造成严重的生产事故。因此，研究薄壁管壳流固耦合冲击振动产生机理，确定其振动能量流传播规律与声场辐射特性，无论是对管壳构件的制造，还是对相关工程装备的检测与控制，都具有重要的实际意义。

当前关于薄壁管壳的振动特性检测系统多以检测其静态力学性能为主，关于其动力学特性的检测的方法与装置较少，且多集中在真空条件下的振动模态分析与频散特性扫描等方面。因此，研发一种薄壳流固耦合振动检测系统是非常有必要的。

技术实现要素：

为了解决薄壳流体冲击振动动力学特性分析及其相关技术问题，本发明提供一种可实现薄壳流固耦合振动的在线检测与自动化控制，并可提供更加高效、柔性的检测规程与方案的薄壳流固耦合振动检测系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种薄壳流固耦合振动检测系统，所述薄壳流固耦合振动检测系统实现薄壳在流体冲击下的流固耦合振动信号检测，由机械动力子系统、流体控制子系统与振动检测分析子系统组成；

所述机械动力子系统用于装置物理实体的支撑框架与流体的容纳，以及驱动扰动执行机构使流体产生一定的初始扰动，进而产生流体冲击；所述机械动力子系统包括实体支撑模块、流体容器模块和初始扰动模块；

所述流体控制子系统用于实现薄壳流固耦合振动检测过程中的流体输送、循环、流量控制和溢流控制，所述流体控制子系统包括流体循环模块、流量控制模块和流体溢流模块；

所述振动检测分析子系统用于实现流体冲击条件下的薄壳流固耦合振动数据的采集、转换和处理，所述振动检测分析子系统包括信号采集模块、a/d转换模块与数据处理模块。

进一步，所述实体支撑模块由4040铝合金型材与配对的角件搭建而成；所述4040铝合金型材是支撑架，相互之间由角件相连接而成，通过t型螺栓、法兰螺母紧固安装在对应的角件上，实现对实验平台各个功能模块的固定和连接。

再进一步，所述流体容器模块由双圆筒组合容器、排流管、溶池容器组成；所述的双圆筒组合容器由透明的pet材料制作而成，通过粘合连接方式固定在实体支撑模块上；双圆筒组合容器包含流体容纳容器与管壳容器，流体容纳容器用以容纳产生运动的流体，表面标有容积刻度，以便于观察容器中流体的容积变化情况；管壳容器通过粘接方式与流体容纳容器相连；管壳容器通过管螺纹与排流管连接；排流管一端与管壳容器相连，另一端伸入溶池容器内；所述的溶池容器聚氯乙烯硬质材料制成，位于排流口的正下方，主要用来接纳从管壳容器中排出的流体。

更进一步，所述初始扰动模块包含工业pc机、电机驱动模块、步进电机、弹性联轴器以及扰动执行机构；所述的工业pc机向用户提供操作面板接口，向电机驱动模块发送脉冲控制信息，实现对步进电机转速与运行时长的控制；所述的电机驱动模块主体为脉宽调制信号发生器，接收由工业pc机发出的控制指令，然后根据实验配置参数，通过控制脉冲的个数来控制角位移量；电机驱动模块通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到对扰动执行机构的调速与定位；所述的步进电机在电机驱动模块的控制下，通过弹性联轴器，将动力传递至扰动执行机构；所述的扰动执行机构为t型搅拌叶片，在步进电机的驱动下，使容纳容器内的流体产生初始流场扰动。

所述流体循环模块包括小功率水泵、橡胶软管和塑料水龙头，所述的小功率水泵放置于溶池容器底部，并通过橡胶软管将流体重新循环排入双圆筒组合容器中，实现流体的循环利用；所述的橡胶软管用捆绑的方式固定于实体支撑模块上，用于连接小功率水泵和塑料水龙头，作为流体的运输管道；所述的塑料水龙头安装于容纳容器的上方，用来控制循环水流的开关以及流量。

所述流量控制模块由多级截流装置和排流盖组成；所述的多级截流装置由pla材料3d打印而成，用来实现流体排出过程的流量精确分级调控；多级截流装置的上接口为圆形，用管螺纹的方式与管壳容器下端相连；多级截流装置的下接口通过管螺纹与排流盖相连，排流盖实现排流口的封闭。

所述的流体溢流模块由溢流孔和橡胶软管组成；所述的溢流孔位于流体容纳容器壁面上，当水位线到达此处时，流体将从溢流孔流出；所述的橡胶软管用粘接方式固定在溢流孔口，作为从溢流孔流出流体的管道，将溢出流体引流至溶池容器中。

所述信号采集模块包括内置集成电路振动传感器、传感器底座、恒流适配器和双芯电缆，所述的内置集成电路振动传感器为压电感应式，采集管壳容器壁面因流体冲击产生的流固耦合振动信号；内置集成电路振动传感器的下端通过螺纹紧固方式与传感器底座相连接，用以保护传感器内部感应器件与集成电路；传感器底座通过粘接方式与管壳容器壁面相连接，且保证一定的接触刚度，使振动信号能够顺利地从管壳容器壁面传递至振动传感器；所述的恒流适配器的输入端通过双芯电缆与内置集成电路振动传感器的上端相连，对振动传感器因其高阻抗而产生的微弱电荷信号进行增益放大，并结合内置电压跟随器将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗输出信号；所述的恒流适配器的输出端通过双芯电缆与a/d转换模块相连接，a/d转换模完成振动信号的模/数转换，并通过内置带通滤波器将振动信号频率锁定在0.3～100khz之间，然后上传至数据处理模块；所述的双芯电缆为连接振动传感器、恒流适配器与a/d转换模块的复用电缆，实现信号传输与供电功能。

所述的数据处理模块接收a/d转换模块的振动信号离散数据，实现振动信号的时域、频域计算、显示和按需存储功能。

一种薄壳流固耦合振动检测系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

①系统启动，进行初始化参数设置，所设置的参数包括当地时间、扰动级别、截流装置开口、采样频率、采样点数、存储文件大小和重复检测次数；

②工业pc机发送驱动指令至电机驱动模块，电机驱动模块驱动步进电机，步进电机带动t型搅拌叶片，产生流场初始扰动；

③流场初始扰动是否达到所设置的扰动级别阈值？若达到，则电机停止运转，打开排流盖；若未达到，则电机继续运转，直至达到扰动级别阈值；

④信号采集模块通过振动传感器采集管壳容器壁面流固耦合振动信号序列，进行a/d转化后，传送至数据处理模块；

⑤数据处理模块通过多线程技术对离散振动信号分别进行时域、频域处理，并根据当前用户任务需求，通过对话框显示实时数据曲线；

⑥用户是否需要存储当前信号序列？若需要，则当前时间点前后3倍采样点数的数据将被存入缓冲区，并根据存储文件大小，分割成相应的数据文件，并已当地时间+序列号的形式命名；

⑦是否达到检测次数？若达到，则停止检测；若未达到，则退回至第②步，重新进行检测，直到达到实验次数。

本发明的有益效果主要表现在：

1)可实现薄壳流固耦合振动的在线检测与自动化控制，并可提供更加高效、柔性的检测规程与方案。

2)可以直接采集、分析薄壳振动信号的基本参数，把模型检测到的结果定性或定量地转化为实际流动现象，为相关工程检测系统提供依据。

3)不受数学方程形式以及边界条件的限制，可以在其能够提供的物理空间内自由的对相关问题进行研究。

附图说明

图1是检测系统结构示意图；图1中：1-铝合金型材支架2-pet双圆筒组合容器3-溶池容器4-小功率水泵5-橡胶软管6-塑料水龙头7-步进电机8-弹性联轴器9-t型搅拌叶片10-pla多级截流装置11-排流盖12-icp振动传感器13-恒流适配器14-数据采集卡15-工业pc机16-电机驱动模块17-溢流橡胶软管。

图2是检测系统工作流程图。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

参照图1和图2，一种薄壳流固耦合振动检测系统，实现薄壳在流体冲击下的流固耦合振动信号检测，由机械动力子系统、流体控制子系统与振动检测分析子系统组成。

上述功能框架中，机械动力子系统主要包含实体机械的支撑框架与流体的容纳，以及驱动旋转叶片使流体产生一定的初始扰动，实现初始流场扰动的产生。流体控制子系统实现流体冲击形成过程的振动分析实验过程中的流体输送、循环、流量控制和溢流控制等功能。所述的振动监测分析子系统为本发明的实时观测部分，实现非线性流体冲击形成过程的流固耦合振动分析数据采集、转换、处理、显示、存储等功能。

本发明所涉及的机械动力子系统由实体支撑模块、流体容器模块、初始扰动模块组成，用于装置物理实体的支撑框架与流体的容纳，以及驱动扰动执行机构使流体产生一定的初始扰动，进而产生流体冲击。机械动力子系统所包含各功能模块的具体技术细节如下：

①实体支撑模块由4040铝合金型材与配对的角件搭建而成，如附图1所示。4040铝合金型材是主要的支撑架，相互之间由角件相连接而成，通过t型螺栓、法兰螺母紧固安装在对应的角件上，实现对实验平台各个功能模块的固定、连接等功能。

②流体容器模块由双圆筒组合容器、排流管、溶池容器组成，如附图1所示。双圆筒组合容器由透明的pet材料制作而成，通过粘合连接方式固定在实体支撑模块上。双圆筒组合容器包含流体容纳容器与管壳容器，其中流体容纳容器直径较大，用以容纳产生运动的流体(设计容积为20升)，表面标有容积刻度，以便于观察容器中流体的容积变化情况。管壳容器通过粘接方式与流体容纳容器相连，其直径较小，外壳为本系统的检测目标，即薄壳壁面。管壳容器通过管螺纹与排流管连接；排流管一端与管壳容器相连，另一端伸入溶池容器内。溶池容器聚氯乙烯硬质材料制成，设计容积为40升，位于排流口的正下方，主要用来接纳从管壳容器中排出的流体。

③初始扰动模块包含工业pc机、步进电机、电机驱动模块、弹性联轴器以及t型搅拌叶片，如附图1所示。此模块的执行流程：用户通过工业pc机向电机驱动模块发出控制信息，驱动模块接收并根据控制信息向步进电机发出相应的脉冲信号，步进电机接收到信号并通过联轴器带动t型搅拌叶片转动。工业pc机用于面向用户的直接操作，向电机驱动模块发送脉冲控制信息，并通过驱动模块来达到对步进电机转速与运行时长的控制。步进电机固定在机械支撑模块上，为t型搅拌叶片旋转提供动力，此项操作中转速较为缓慢，只为容器中的流体提供一个初始扰动而让其更易产生流体冲击，步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源(步进电机驱动器)。电机驱动模块(脉冲信号发生器)接收由工业pc机发出的控制指令，然后根据其控制要求，通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，控制步进电机的运行状态。弹性联轴器用来连接步进电机和t型搅拌叶片，实现在步进电机驱动时将动力转递给t型搅拌叶片，从而使t型搅拌叶片开始转动。t型搅拌叶片由pla材料3d打印而成，用来使流体容纳容器中的流体产生一定的初始扰动，以使目标流体更有效率地产生流体冲击。

本发明所涉及的流体子系统，由流体循环模块、流量控制模块和流体溢流模块组成，如附图1所示，实现薄壳流固耦合振动检测过程中的流体输送、循环、流量控制和溢流控制等功能。流体控制子系统所包含各功能模块的具体技术细节如下：

①流体循环模块由小功率水泵、橡胶软管、塑料水龙头组成，如附图1所示。小功率水泵安放于流体容纳容器底部，并通过橡胶软管将流体重新循环排入流体容纳容器中进行下一次的检测，实现了流体的循环利用。需要注意的是，要保证流体容纳容器内水位线高于水泵，以免造成不必要的损失。橡胶软管用捆绑的方式固定于权利实体支撑模块上，用于连接小功率水泵和塑料水龙头，作为流体的运输管道。塑料水龙头安装于流体容纳容器的上方，用来控制循环水流的开关以及流量。

②流量控制模块由多级截流装置和排流盖组成，如附图1所示。多级截流装置由pla材料3d打印而成，用来实现对实验流体不同流量的控制，并提供多个排流口尺寸(出口直径)：12mm、16mm、20mm、24mm、28mm、32mm。上接口为圆形，用螺纹的方式与管壳容器出水口紧密连接在一起，下接口(即出水口)也同样用螺纹的方式与排流盖连接在一起。排流盖内置螺纹，形状为圆形，与排流口连接，从而实现对圆柱体容器中实验流体的排流开关(开始排流时，只需打开排流盖即可)。

③流体溢流模块由溢流孔和橡胶软管组成，如附图1所示。溢流孔处于流体容纳容器壁面上，当水位线到达此处时，实验流体将从溢流孔流出，防止流体过多而从双圆柱体容器口溢出。橡胶软管用胶合的方式固定在溢流孔口，作为从溢流孔流出流体的管道，将溢出流体引流至溶池容器中。

此子系统与机械子系统相辅相成。机械子系统中的双圆筒组合容器和溶池容器中都盛载着实验流体，在非检测状态时，由于排流盖的存在，两部分的流体静止无流通。流体从双圆筒组合容器中排流进入溶池容器这阶段为本系统的检测阶段，只要打开排流盖就能开启此阶段。当一次检测结束需进行再一次实验时，流体循环模块开始工作，水泵将溶池容器中的流体通过橡胶软管重新排放回双圆筒组合容器中，实现循环实验的功能。

本发明所涉及的振动分析子系统，通过振动分析系统实时采集流体冲击形成的薄壳壁面振动信号，实现流体冲击壁面耦合振动数据的采集、转换、处理、显示、存储等功能。振动分析系统包含信号采集模块、a/d转换模块与数据处理模块，具体技术细节如下：

①信号采集模块由内置集成电路(icp)振动传感器、传感器底座、恒流适配器以及双芯电缆构成。icp振动传感器为加速度式传感器，为了能采集到pet材料圆筒内产生的振动信号，此实例选取电压灵敏度为200mv/g，量程为25g的icp振动传动器。传感器用螺纹的方式与其所配对的底座紧密连接在一起，采集由壁面产生并通过底座传来的振动信号。压电传感器具有很高阻抗，它产生的是微弱的电荷信号，所述的icp传感器内置的高输入阻抗放大电路将信号进行增益放大，而内置的电压跟随器将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号。底座用粘接的方式安装于管壳容器的壁面，其能将壁面振动传递给传感器，而且能对icp振动传感器进行保护以免造成传感器的损坏。由于电路内部存在一些噪声源，而检测过程的振动冲击力小，信号较弱，为了使小信号不被电路噪声所淹没，必须在电路前端加入放大器电路，增益所采集到的信号。而且放大电路必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。本发明采用的icp振动传感器已内置此类放大电路，但需要对传感器恒流供电。恒流适配器作为icp振动传感器和a/d转换模块之间的桥梁，不仅为icp传感器提供稳定的电源，而且内置高通滤波器和低通滤波器，上限频率为100khz,下限频率为0.3hz。在信号传输过程会存在一些干扰信号，需对信号进行滤波处理。滤波器产生的电路噪声比较大，如果放在放大器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降低。所以将滤波器放于放大器之后有利于减小电路的等效输入噪声，此处滤波已在放大器之后。恒流适配器将接收到的信号进行滤波处理，最后将信号传输给a/d转换模块。双芯电缆作为icp传感器与恒流适配器之间的连接桥梁，起到信号传输以及供电传输的功能。

②a/d转换模块由数据采集卡构成。此处数据采集卡的模拟输入量程为±10v，拥有12位分辨率，100ks/s的采样率，满足实验的要求。数据采集卡负责接收恒流适配器调理过后的信号，然后对信号进行处理，最后将信号由模拟信号转换为数字信号发送给数据处理模块。实现了对信号的a/d转换功能。

③数据处理模块运行于工业pc机上，集成数据采集、显示和记录等功能。此模块接收经数据采集卡处理后的信号信息，然后实现对其信号进行时域、频域分析的功能。

振动分析子系统的执行流程：薄壁振动信号通过底座传递给振动传感器，内置电路的传感器将信号放大后传输给恒流适配器。恒流适配器将信号进行滤波处理，最后将信号传输给数据采集卡。数据采集卡将信号由模拟信号转换成数字信号传输给pc端进行最终处理。pc端对信号进行时域、频域等分析，达到检测的最终目的。

本发明的工作控制流程如附图2所示。通过pc端发控制信号给步进电机驱动板，接着电机驱动板将驱动步进电机，通过联轴器带动t型搅拌叶片转动。当搅拌叶片转动时，圆柱体容器内部的流体将会产生一定的初始扰动。此时只要打开排流盖，圆柱体容器内部的流体将会排流出来，慢慢形成汇流旋涡。与此同时，icp振动传感器将会实时采集振动信号，并通过数据采集卡进行信号转换传递到pc端。pc端可以对信号进行时域频率的分析，达到实验目的完成一轮实验过程。如要进行下一次实验，只需将塑料水龙头和水泵打开，将流体注流回圆柱体容器中即可。控制方法的具体实施步骤可描述如下：

①系统启动，进行初始化参数设置，所设置的参数包括当地时间、扰动级别、截流装置开口、采样频率、采样点数、存储文件大小和重复检测次数。

②工业pc机发送驱动指令至电机驱动模块，电机驱动模块驱动步进电机，步进电机带动t型搅拌叶片，产生流场初始扰动。

③流场初始扰动是否达到所设置的扰动级别阈值？若达到，则电机停止运转，打开排流盖；若未达到，则电机继续运转，直至达到扰动级别阈值。

④信号采集模块通过振动传感器采集管壳容器壁面流固耦合振动信号序列，进行a/d转化后，传送至数据处理模块。

⑤数据处理模块通过多线程技术对离散振动信号分别进行时域、频域处理，并根据当前用户任务需求，通过对话框显示实时数据曲线。

⑥用户是否需要存储当前信号序列？若需要，则当前时间点前后3倍采样点数的数据将被存入缓冲区，并根据存储文件大小，分割成相应的数据文件，并已当地时间+序列号的形式命名。

⑦是否达到检测次数？若达到，则停止检测；若未达到，则退回至第②步，重新进行检测，直到达到实验次数。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。