一种TMD运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法与流程

本发明涉及减震装置技术领域，具体涉及一种tmd运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法。

背景技术：

桥梁等土木结构在强风和地震等动力荷载作用下容易产生振动，大幅的结构振动危及自身结构安全，并降低其使用舒适性。近些年，世界桥梁工程将进入跨海连岛的超大跨径桥梁建设新时期,斜拉桥和悬索桥的跨径记录也一次次地被刷新,特别是悬索桥的跨径将会超过200om,甚至达到5000m。随着桥梁跨径的不断增大,桥梁结构更趋于轻柔,对风等荷载的作用更加敏感,桥的柔性结构在施加荷载前后,结构和主要部件的形状及轴线都发生了很大变化,由位移变化引起的内力增量增大。如何保证桥梁在风作用下的动力稳定性以及如何有效抑制桥梁较大的风致振动成为桥梁工作者面临的最大考验,传统依靠增加桥梁刚度和材料强度的方法在大跨径桥梁抗风设计中从经济性和美观性的角度看是不合理的。

调谐质量阻尼器系统(tunedmassdampersystem简称tmd系统)是目前常用的被动抑振方法，它由质量块、弹簧(刚度)、阻尼(阻尼单元)组成。tmd系统主要是通过共振原理来实现振动控制效果，只有当tmd系统的振动频率与结构受控自振频率相近时，振动效果才好。在外部激励作用下，桥梁结构产生振动并带动结构上的调谐质量阻尼器一起振动，当调谐质量阻尼器系统自身的振动频率与桥梁结构的固有频率相近时，tmd系统会提供一个与桥梁结构振动方向相反的惯性力作用在桥梁结构上，使桥梁结构的振动响应逐渐衰减，实现振动能量从桥梁结构向tmd系统的转移，从而对桥梁结构的振动产生控制作用。

目前研究文献和专利多集中在针对tmd的结构性改进，通过调整质量块、弹簧、阻尼这三个单元的参数与受控结构的质量和自振频率的关系来得到最优的减振效率，或者增加电涡流调谐装置增强tmd的减振效果。

例如：中国专利文献cn202011133603.0“一种便于调节阻尼与振动频率的调谐质量”通过在tmd中设有若干横向的调节弹簧部件，将上部安装板的升降运动转变为横向运动，带动粘滞阻尼器和调节弹簧部件伸缩实现减震。中国专利文献cn202010005127.8“一种利用杠杆机构的电涡流阻尼装置”,利用永磁体的双侧磁场，以少量永磁体通过放大机构得到所需的阻尼力，降低永磁体安装的难度和风险。中国专利文献cn201920824998.5“电涡流调谐质量阻尼器”通过改变永磁体与导体板的正对面积，从而实现连续改变阻尼的效果。当结构发生竖向振动带动质量块竖向振动时，永磁体两侧的导体板做切割磁感应线运动，导体板中产生感应电流(涡流)，继而产生一个阻碍它与永磁体相对运动的惯性力即电磁阻尼，并通过发热消耗振动能量。中国专利文献cn202011188542.8“一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器”披露的电涡流阻尼系统应用磁场调制原理和负刚度非线性能量阱的概念，通过调磁板加快高速端永磁体的运动速度，提高阻尼器的耗能效率；通过同名永磁体之间排斥力的切向分量可以促进配重块的运动，从而拓宽了减振频带，鲁棒性更好，弥补了传统调谐质量阻尼器失调时减振效果差的问题。

但是，tmd的减振效果仍未达到始终处于最佳状态，原因主要集中在以下几方面：1)tmd属于被动机械减振装置，其工作一直处于负荷状态且服役期较长，而机械部件的长期负荷工作应考虑tmd的服役状态。2013年8月由陈正清、黄智文(湖南大学风工程研究中心)所撰写的“桥梁用tmd的基本要求与电涡流tmd”《湖南大学学报(自然科学版)》对tmd基本性能提出要求，即以设计寿命周期为120年的港珠澳大桥为例，tmd各构件最低疲劳寿命在千万次以上，10年左右更换一次。机械部件的长期负荷工作会导致器件老化，影响tmd减振效果。2)tmd固有频率是以桥梁等结构的某阶固有频率为参照优化设计得到的，一个tmd只能控制单阶模态，大多数情况下，桥梁结构主要以第一或者前几阶振型为主，故tmd系统主要控制梁桥的第一阶或者前几阶振型，复杂的桥梁振动的振型和基频使tmd无法同时兼顾。若桥梁结构的实际频率偏离设计值，则tmd的优化频率也会改变，按原优化频率设计的tmd的减振效率将会降低。而目前tmd产品一旦安装之后不需要特殊的维护工作，质量块和阻尼在设计之初就确立了tmd的抑振参数和效果，无法随时调节自身振动频率以应对时时变化的桥梁振型、振率的变化，tmd何时达到寿命、何时需要更换完全凭人为判断。3)tmd系统中只有质量块、阻尼和弹簧三者之间协调运动才能起到最佳的减振效果，而在实际应用中，由于这三者的机械运动会存在不协调的振动运动相位差，或者tmd的摩擦阻尼过大等原因，导致tmd在主结构发生足够振动时,tmd不能立即启动工作或者不协调工作，tmd不能及时达到理想的工作状态，致使风振能量在桥梁结构中逐渐积累而形成大幅振动后，tmd减振效率急剧降低。

从目前桥梁抑振理论和实践来看，目前的tmd系统建模方法是在桥梁振动的模拟应用领域进行模型开发和熟化，然后采用集成和数据融合的方法将来自简谐振动、阻尼抑振等不同领域的独立的模型融合为一个综合的tmd系统级模型，在实际减振中发挥了效果，虽然我们采用有限元分析方法等对其进行建模，但是我们对tmd及其衍生产品的内部各个组件的运行规律及有效性缺乏认识，对系统机理和特征的认知还不够充分，在缺乏对tmd运行状态实时监测数据的前提下，对tmd单纯采取理论计算来判断tmd的实际运行状态缺乏数据基础，这是目前对tmd的系统认识的难点所在。

因此，判断tmd是否处于有效抑振状态的关键在于判断抑振执行部件，在tmd中的质量块、阻尼和弹簧，也包括tmd的衍生产品的各种抑振执行部件之间是否处于协调运动状态。然而，在tmd目前理论研究和产品中，对tmd的各个部件运行状态缺乏有效检测和监测，所以对tmd的运行状态无法掌握和有效判断，进而tmd对桥梁的抑振效果难以实时掌握和分析。在tmd长期运营中，往往根据经验判断tmd是否处于故障、判断哪些部件失灵，很难将其作为精准判断的数字化依据，因此非常有必要对tmd及其衍生产品进行实时监测，随时掌握tmd主要部件的运行状态，以此作为tmd系统各项参数调节的依据，使tmd始终处于监测之中，使其始终处于最佳抑振效果提供数据支撑。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种tmd运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法。

通过对tmd及其各种衍生减振系统进行实时检测，针对tmd及其衍生系统的部件实体，通过数字化手段构建与之对应的数字孪生体(digitaltwin),以此来实现对tmd各部件物理实体的实时监测和分析。及时了解tmd各组件的工作状态，通过数据驱动方式构建tmd系统的物理模型，以此来刻画和表征tmd系统运行状态、故障分析，利用人工智能，将实体监测、数据流程、算法和决策分析结合在一起，实现对tmd部件的数字映射，建立tmd系统运行的关键参数、检验指标的监控策略，监控tmd系统在虚拟模型中的变化，检测tmd各个抑振部件是否处于协调工作状态，进而利用tmd数字孪生和大数据分析判断tmd是否达到最佳减振效果，有针对性地调节tmd结构参数提供数据依据，诊断基于人工智能的数据处理与异常分析，并预测潜在风险，合理有效地进行维护。这是对目前tmd抑振理论与实践的巨大突破。

为达到以上技术目标，本发明提供以下技术方案，一种调谐质量阻尼器tmd运行状态数字孪生检测装置，包括：质量块、弹簧、阻尼和底座，还包括tmd传感器、数据采集点、检测控制器、数据总线和tmd运行状态数字孪生数据样本库。tmd传感器固定于底座上，数据采集点分别安装在质量块、弹簧、阻尼和底座上。tmd传感器采集质量块、弹簧、阻尼的竖直或者水平运动轨迹，采集数据在检测控制器的控制下通过数据总线传输至tmd运行状态数字孪生数据样本库存储。

在tmd结构中，阻尼、弹簧和质量块是tmd实现减振效果的最重要的执行部件，而仅仅检测质量块的运动轨迹是远远不够的，只有这三者相互协调和配合才能起到最佳的减振效果。而这三者的减振运动类似，都是通过往复运动达到能量传递，它们之间的相互位置位移关系直接反映了tmd的运行参数，例如振动幅值、频率、相位差等，直接反映出tmd的工作性能是否达到设计要求，进而也决定了tmd实际运行的结构参数，如：频率比、质量比和tmd阻尼，以及tmd动力学模型以及材料的刚度、柔性、弹性、疲劳强度等。因此，通过监测阻尼、弹簧和质量块这三者的运动就可以及时了解tmd的工作性能。对于tmd的衍生产品，例如电涡流阻尼装置等，数字孪生检测装置和数据采集装置是类似的。

本发明优选地技术方案在于，阻尼和弹簧的数据采集点在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系。质量块和底座的数据采集点在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系。由于tmd一般有竖直和水平减振结构，因此在获得阻尼、弹簧和质量块之间的相对位置关系时，也应将数据采集点区分竖直和水平方向。

本发明优选地技术方案在于，tmd传感器采用速度传感器、相对位置传感器、激光检测器及其他能够准确测量相对时空位置位移的装置。

本发明优选地技术方案在于，tmd传感器所采集数据包括运动速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移。

本发明优选地技术方案在于，tmd运行状态数字孪生检测装置还包括电涡流阻尼器及电涡流阻尼器运动轨迹检测装置。

本发明优选地技术方案在于，电涡流阻尼器包括永磁体、导体板、磁体背铁、导体背铁，电涡流阻尼器运动轨迹检测装置包括电涡流阻尼传感器和数据采集点，用来采集永磁体与导体板之间的相对位置位移或者转动相对位移，检测数据包括速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移、转动速度、转动相对位置。数据采集点固定于永磁体、导体板上。永磁体为永磁体对、永磁体阵列、永磁体转盘等方式。

本发明优选地技术方案在于，永磁体上的数据采集点之间位置相对应对称，永磁体与导体板的数据采集点相对称，以此获得永磁体之间、永磁体与导体板之间的位置位移随时间变化关系。

本发明优选地技术方案在于，电涡流阻尼器包括励磁线圈、惯性件、固定电磁底座、惯性质量固定底座，电涡流阻尼器运动轨迹检测装置包括惯性转动传感器和数据采集点，用来采集惯性件的转动运动检测，检测数据包括转动速度、转动频率、转动相对位置。数据采集点固定于励磁线圈、惯性件上。

一种tmd运行状态判断方法，其特征包括以下步骤：

1)根据tmd运行状态数字孪生检测装置所采集数据，在既有tmd及其设计基础上，分别判断质量块、弹簧和阻尼运动速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移是否符合设计参数要求，符合的情况则转到步骤2，否则分别判断质量块、弹簧和阻尼的运动轨迹问题，以此确定具体问题范围，并转到步骤4。

2)判断质量块、弹簧和阻尼耦合运动轨迹是否符合要求，是否存在不协调的振动运动相位差，即根据判断质量块、弹簧和阻尼的数据采集点在空间上竖直或者水平对应数据采集点的数据是否存在时空上不对应问题。

3)符合的情况则跳转到步骤4，否则根据质量块、弹簧和阻尼运动轨迹问题判断是tmd组件疲劳故障还是tmd设计问题。

4)如果是tmd设计问题，则建立质量块、弹簧和阻尼运动耦合目标函数、设计参数、设计约束，改进原有设计；如果是属于tmd组件问题，则更换tmd组件。

5)对tmd新设计和更换组件测试、实施，实现tmd全生命周期系统显示监测、预警和故障分析。

有益效果

对tmd及其衍生产品进行实时检测，随时掌握tmd主要部件的运行状态，以此作为tmd系统各项参数调节的依据，使tmd始终处于监测之中，并处于最佳抑振效果提供数据支撑。通过tmd运行状态判断方法，根据tmd运行状态数字孪生检测装置数据实时判断tmd组件疲劳故障还是tmd设计问题，进而为tmd全生命周期系统显示监测、预警和故障分析提供方法支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是调谐质量阻尼器tmd运行状态数字孪生装置结构图；

图2是调谐质量阻尼器tmd电涡流阻尼器运动轨迹检测装置结构图；

图3是调谐质量阻尼器tmd励磁线圈电涡流阻尼器装置结构图；

图4是调谐质量阻尼器tmd运行状态数字孪生装置流程图；

图5是调谐质量阻尼器tmd运行状态判断方法。

图中：1、质量块；2、弹簧；3、阻尼；4、底座；5、tmd传感器；6、数据采集点；7、检测控制器；8、数据总线；9、tmd运行状态数字孪生数据样本库；21、电涡流阻尼器；23、永磁体；24、导体板；25、磁体背铁；26、导体背铁；27、电涡流阻尼器运动轨迹检测装置；31、励磁线圈；32、惯性件；33、固定电磁底座；34、惯性质量固定底座；35、惯性转动传感器。

具体实施方式

实施例1

如图1，一种调谐质量阻尼器tmd运行状态数字孪生检测装置，包括：质量块、弹簧、阻尼和底座，还包括tmd传感器、数据采集点、检测控制器、数据总线和tmd运行状态数字孪生数据样本库。tmd传感器固定于底座上，数据采集点分别安装在质量块、弹簧、阻尼和底座上。tmd传感器采集质量块、弹簧、阻尼的竖直或者水平运动轨迹，采集数据在检测控制器的控制下通过数据总线传输至tmd运行状态数字孪生数据样本库存储。

tmd传感器采用速度传感器、相对位置传感器、激光检测器及其他能够准确测量相对时空位置位移的装置。tmd传感器所采集数据包括运动速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移等变量数据。阻尼和弹簧的数据采集点在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系。质量块和底座的数据采集点在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系。由于tmd一般有竖直和水平减振结构，因此在获得阻尼、弹簧和质量块之间的相对位置关系时，也应将数据采集点区分竖直和水平方向。

这样由质量块、阻尼和弹簧的tmd传感器和数据采集点、数据总线、tmd运行状态数字孪生数据样本库和检测控制器构成了tmd运行状态数字孪生检测装置的核心部分，通过为tmd组件制作一个数字孪生体，tmd传感器检测tmd部件的运动时空特征信息，包括：质量块、阻尼和弹簧运行时的运动状态、相关位置关系等，还检测部件的物理特性，如应力分析、动力学模型以及材料的刚度、柔性、弹性、疲劳强度等。传感器的布设能够使整个数字孪生体获得更加准确、充分的数据支持，使tmd数字孪生体更加接近于物理实体的功能和特性。

实施例2

如图2，tmd运行状态数字孪生装置还包括电涡流阻尼器及电涡流阻尼器运动轨迹检测装置。电涡流阻尼器包括永磁体、导体板、磁体背铁、导体背铁，电涡流阻尼器运动轨迹检测装置包括电涡流阻尼传感器和数据采集点，用来采集永磁体与导体之间的相对位置位移或者转动相对位移，检测数据包括速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移、转动速度、转动相对位置。数据采集点固定于永磁体、导体板上。永磁体为永磁体对、永磁体阵列、永磁体转盘等方式。永磁体上的数据采集点之间位置相对应对称，永磁体与导体板的数据采集点相对称，以此获得永磁体之间、永磁体与导体板之间的位置位移随时间变化关系。电涡流阻尼传感器与tmd传感器可以功能集成于tmd运行状态数字孪生检测装置中，也可以功能分开。

实施例3

如图3，tmd运行状态数字孪生检测装置中的电涡流阻尼器包括励磁线圈、惯性件、固定电磁底座、惯性质量固定底座，电涡流阻尼器运动轨迹检测装置包括惯性转动传感器和数据采集点，用来采集惯性件的转动运动检测，检测数据包括转动速度、转动频率、转动相对位置。数据采集点固定于励磁线圈、惯性件上。惯性转动传感器与tmd传感器可以功能集成于tmd运行状态数字孪生检测装置中，也可以功能分开。

实施例4

如图4，tmd运行状态数字孪生检测装置流程按照数据驱动方式，将其区分为tmd基本组件和tmd衍生系统，tmd基本组件包括质量块、弹簧和阻尼，阻尼根据减振方式不同区分为电液伺服式阻尼器、粘滞阻尼器、液压式阻尼器等均适用于tmd运行状态数字孪生检测装置。对tmd基本组件的数字孪生检测包括竖直或者水平运动轨迹检测，拉伸运动检测。tmd衍生系统主要指的是tmd电涡流阻尼器，主要有板式电涡流阻尼器、转动式电涡流阻尼器、滚珠丝杠式电涡流阻尼器等，对这些tmd电涡流阻尼器的数字孪生检测包括永磁体与导体之间的相对运动位移检测、永磁体与导体之间的旋转运动检测、惯性件转动检测等不同检测方式均落入本发明的保护范围。对tmd组件及衍生系统的检测装置包括速度、相对位置传感器、激光检测器、激光位移计等及其他能够检测时空位置关系的检测器。检测数据通过数据总线在检测控制器的控制下实时传输至tmd运行状态数字孪生数据样本库。

实施例5

如图5，一种tmd运行状态判断方法，其特征包括以下步骤：

1)根据tmd运行状态数字孪生检测装置所采集数据，在既有tmd及其设计基础上，分别判断质量块、弹簧、阻尼的运动速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移是否符合设计参数要求，符合的情况则转到步骤2，否则分别判断质量块和阻尼的运动轨迹问题，以此确定具体问题范围，并转到步骤4。

2)判断质量块、弹簧和阻尼耦合运动轨迹是否符合要求，是否存在不协调的振动运动相位差，即根据判断质量块、弹簧和阻尼的数据采集点在空间竖直或者水平对应数据采集点的数据是否存在时空上不对应问题。

3)符合的情况则跳转到步骤4，否则根据质量块、弹簧和阻尼运动轨迹问题判断是tmd组件疲劳故障还是tmd设计问题。

4)如果是tmd设计问题，则建立质量块、弹簧和阻尼运动耦合目标函数、设计参数、设计约束，改进原有设计；如果是属于tmd组件问题，则更换tmd组件。

5)对tmd新设计和更换组件测试、实施，实现tmd全生命周期系统显示监测、预警和故障分析。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。