异形水箱结构液体晃动频率测试方法
【专利摘要】本发明公开了异形水箱结构液体晃动频率测试方法，选取或者制作待测液体晃动频率的异形水箱结构。在液体深度范围内布置孔隙水压力传感器。向异形水箱结构中注水，使水面达到目标高度。将盛水的异形水箱结构固定在振动台上。通过数据线连接孔隙水压力传感器和高速静态应变测试分析系统，高速静态应变测试分析系统和计算机。振动台启动给异形水箱结构提供外界激励，将记录到的动水压力时程曲线进行降噪处理。提取时程曲线中液体自由晃动阶段的数据信息。将数据曲线进行Fourier变换，从小到大记录每一个幅值纵坐标出现极大值时对应的横坐标频率，频率数值即为该水箱结构液体晃动的第i阶频率。测试结果准确可信、误差小。
【专利说明】
异形水箱结构液体晃动频率测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种异形水箱结构液体晃动频率的测试方法，主要利用现有传感器， 通过信号处理达到预期目的，属于液体晃动特性测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 物体或结构的动力特性是进行动力分析的基础，因此，对水箱结构进行地震、撞击 等动力分析必须了解液体的晃动频率。
[0003] 对于简单、规则的水箱结构，可以通过前提假设和理论推导得到近似解。以圆柱形 水箱为例，假定容器是刚性的，并且液体是不可压缩的理想流体，并且水箱下的支撑为水平 运动，没有旋转分量，那么液体的晃动频率可以通过求解下式得到：
(1)
[0005] 式中：心是液体的第i阶晃动频率，h是一阶贝塞尔函数导数的第i个根，g是重力加 速度，R是圆柱形水箱的底面半径，H是水箱结构中液体的高度。该方法适用于对简单结构液 体晃动频率求解，应用于复杂、异形结构则需要对模型进一步简化，计算精度无法保证。
[0006] 振动台试验中，结构的自振频率一般是通过白噪声扫频得到。在结构上布设加速 度或位移传感器，通过振动台给结构施加一系列不同频率的激励，观察采集到的数据信号， 使结构的振动响应达到最大时输入的激励频率即为该结构的自振频率。该方法适用于结构 自振频率的测试，由于液体的特殊性，导致不能在液体上布置加速度、位移传感器。液体晃 动波高的测试一方面受测试仪器布设的条件限制（如封闭、不透明水箱等），另一方面受液 体晃动时液滴飞溅的影响，不能方便、有效、准确地通过白噪声扫频的传统方法得到液体的 晃动频率。
[0007] CAP1400核电厂核岛结构屏蔽厂房顶部布置有异形水箱，现有的理论方法主要适 用于简单、规则结构的晃动频率求解，数值分析软件的计算结果准确度无法保证，因此需要 一种实验测试方法来得到异形水箱结构液体晃动频率，既简单可行，又能应用于各种截面 的水箱结构，以便进一步对结构进行动力分析。
【发明内容】
[0008] 针对上述问题，基于动水压这一液体晃动中的重要数据，提出一种用于测试异形 水箱结构液体晃动频率的装置和方法，传感器布置方便，信号数据处理简单，测量精度高。
[0009] 本发明提出的测试方法，基于数据信号的Four i er变换，Four ier变换在物理学、声 学、光学、结构动力学、信号处理等领域有广泛的应用，在信号处理中，Fourier变换的典型 用途是将信号分解成振幅分量和频率分量，方程如下：
[0010] F(co) - f'' f{t)c (2)
[0011] 式中，f(t)是随时间t变化的数据信号，F(co)是f(t)的频谱函数，|F(co)|是f(t) 的振幅频谱。
[0012] 本发明所采用的装置参见图1，该装置包括:振动台1、异形水箱结构2、孔隙水压力 传感器3、高速静态应变测试分析系统4、计算机5。
[0013] 各部分主要功能如下:振动台1负责提供激励输入;异形水箱结构2用以承载液体； 孔隙水压力传感器3用以测量布置点处水压;高速静态应变测试分析系统4用以采集孔隙水 压力传感器测量到的水压;计算机5用以记录传感器布置处水压时程曲线，进行数据处理。 孔隙水压力传感器3、高速静态应变测试分析系统4、计算机5之间通过数据连接线连接。实 验时，振动台1给异形水箱结构2提供输入，通过高速静态应变测试分析系统4采集并记录动 水压力时程曲线，利用Fourier变换将"时间-动水压"时程曲线转换为"频率-幅值"曲线，以 此来识别各阶晃动频率。
[0014]本发明具有以下优点：
[0015] (1)利用动水压数据进行Fourier变换，可以在记录动水压这一水动力学关键参数 的同时，得到液体的晃动频率，操作简单方便，不需要另设传感器。
[0016] (2)相比有关学者利用波高数据计算晃动频率，本发明不需要考虑液滴飞溅等波 高测试难题。传感器布设简单，不需考虑材料是否透明、水箱结构是否规则等问题，适用面 广。
[0017] ⑶测试结果准确可信，误差小。
【附图说明】
[0018] 图1测试装置布置图
[0019] 图2降噪处理后动水压力时程曲线
[0020] 图3液体自由晃动阶段动水压时程曲线
[0021] 图4 Fourier变换后"频率-幅值"曲线 [0022]图5a数值分析一阶晃动模态
[0023]图5b数值分析二阶晃动模态 [0024]图5c数值分析三阶晃动模态 [0025]图5d数值分析四阶晃动模态
[0026]图中：1、振动台，2、异形水箱结构，3、孔隙水压力传感器，4、高速静态应变测试分 析系统，5、计算机。
[0027]具体测试方式
[0028]下面通过一个异形水箱结构液体晃动频率测试实例，对本发明作进一步说明。 [0029]步骤一:选取或者制作待测液体晃动频率的异形水箱结构2,图2给出实例采用的 梯形截面圆环形水箱。
[0030] 步骤二:在异形水箱结构2侧壁，液体深度范围内布置孔隙水压力传感器(为了保 证计算结果准确，可沿高度布置多组传感器）。
[0031] 步骤三:向异形水箱结构2中注水，使水面达到目标高度。
[0032] 步骤四：将盛水的异形水箱结构2固定在振动台1上。
[0033] 步骤五:通过数据线连接孔隙水压力传感器3和高速静态应变测试分析系统4,高 速静态应变测试分析系统4和计算机5。
[0034]步骤六:测试系统的调试。
[0035] (1)打开测试软件，根据需要设置采样频率。
[0036] (2)根据孔隙水压力传感器3所对应型号，设置测试系统参数（主要是灵敏度系 数)。
[0037] (3)使用前，将孔隙水压力传感器3在通电情况下浸入水中预热半小时以上，观察 记录到的静水压力是否正确，如无误，可以正式采集。
[0038]步骤七:振动台1启动，给异形水箱结构2提供外界激励，通过孔隙水压力传感器3 和高速静态应变测试分析系统4,动水压力时程曲线显示并保存在计算机5中。
[0039]步骤八:将记录到的动水压力时程曲线进行降噪处理，处理后的曲线如图2所示。
[0040] 步骤九:提取时程曲线中液体自由晃动阶段的数据信息，如图3所示。
[0041] 步骤十:将图3所示数据曲线进行Fourier变换，将"时间-动水压"曲线转换为"频 率-幅值"曲线，如图4所示。
[0042] 步骤十一:在"频率-幅值"曲线中，从小到大记录每一个幅值纵坐标出现极大值时 对应的横坐标频率，频率数值即为该水箱结构液体晃动的第i (i = 1，2，）阶频率。
[0043]目前，液体晃动模态的研究主要从理论推导、实验测试和数值分析三个方面进行。 理论推导主要基于Housner理论进行分析，适用于简单截面水箱。针对异形结构，通常的做 法是将其等效成简单截面进行计算，结果会有一定的误差(下文有比较）。数值分析是目前 常用的方法，但也需要与实验测试相互验证才能保证结果的准确性。本发明简单易行，既可 独立测试，也可用来验证数值分析的合理性。
[0044] 以上是本发明的一个应用实例，不局限于该类水箱结构晃动频率的测试。
[0045] 下面通过该异形截面水箱结构液体晃动频率测试结果与数值分析结果的对比，验 证结果的合理性，通过与简化模型理论解的对比，证明结果的准确性。
[0046] (1)与数值分析结果对比
[0047] 由于从第4阶模态开始，频率变化不明显，从实验数据中难以区分更高阶频率。同 时，对液体晃动动力特性起主要作用的是前几阶模态，因此选取前4阶频率进行对比，数值 分析提取的前4阶模态如图5a_5d所示。为保证测试结果准确，尽可能减小误差，测试均值的 样本数为50,对比结果如表1:
[0048] 表1液体晃动频率测试结果与数值分析结果对比
[0050]从对比结果可以看出，除去三阶频率，误差均小于1%，第三阶频率虽然误差较大， 也只有5.8%，验证了测试结果合理性。
[0051 ] (2)与简化模型理论解对比
[0052]本模型为梯形截面圆环形水箱，相关专家学者提出将其等效简化为矩形截面圆环 形水箱，并给出了矩形截面圆环形水箱的晃动频率计算公式：
C3；
[0054] k = Ri/R〇 (4)
[0055] ki=(ha/R〇)Ci (5)
[0056] 式中，fi是液体的第i阶晃动频率，g是重力加速度，R。是圆环水箱外半径，Ri是圆环 水箱内半径石是方程?1/1(| 1)￥/1賊1)咛1似1)疒 1(|1)=0的第1次根(^1分别是第一类 和第二类一阶贝塞尔函数，jWi分别是j 1>Yl的一阶导数），ha是等效简化后液面高度。 [0057]由公式（3)求得的该异形水箱结构液体晃动一阶频率为0.5155Hz，与测试均值 0.4935Hz误差为4.46%。上文已验证实验测试结果的合理性，对比证明用此等效简化方法 求解异形水箱结构晃动频率误差较大。
【主权项】
1. 异形水箱结构液体晃动频率测试方法，其特征在于： 步骤一:选取或者制作待测液体晃动频率的异形水箱结构(2); 步骤二:在异形水箱结构（2)侧壁，液体深度范围内布置孔隙水压力传感器，为了保证 计算结果准确，沿高度布置多组传感器； 步骤三:向异形水箱结构(2)中注水，使水面达到目标高度； 步骤四：将盛水的异形水箱结构(2)固定在振动台（1)上； 步骤五:通过数据线连接孔隙水压力传感器(3)和高速静态应变测试分析系统(4)，高 速静态应变测试分析系统(4)和计算机(5); 步骤六:测试系统的调试； (1) 打开测试软件，根据需要设置采样频率； (2) 根据孔隙水压力传感器(3)所对应型号，设置测试系统参数； (3) 使用前，将孔隙水压力传感器（3)在通电情况下浸入水中预热半小时以上，观察记 录到的静水压力是否正确，如无误，正式采集； 步骤七:振动台（1)启动，给异形水箱结构（2)提供外界激励，通过孔隙水压力传感器 (3)和高速静态应变测试分析系统(4)，动水压力时程曲线显示并保存在计算机(5)中； 步骤八:将记录到的动水压力时程曲线进行降噪处理； 步骤九:提取时程曲线中液体自由晃动阶段的数据信息； 步骤十：将数据曲线进行Four ier变换，将"时间-动水压"曲线转换为"频率-幅值"曲 线； 步骤十一:在"频率-幅值"曲线中，从小到大记录每一个幅值纵坐标出现极大值时对应 的横坐标频率，频率数值即为该水箱结构液体晃动的第i阶频率，i = 1，2，3···; 目前，液体晃动模态的研究主要从理论推导、实验测试和数值分析三个方面进行;理论 推导主要基于Housner理论进行分析，适用于简单截面水箱;针对异形结构，通常的做法是 将其等效成简单截面进行计算，结果会有一定的误差;数值分析是目前常用的方法，但也需 要与实验测试相互验证才能保证结果的准确性;本发明简单易行，既可独立测试，也可用来 验证数值分析的合理性。2. 根据权利要求1所述的异形水箱结构液体晃动频率测试方法，其特征在于： 液体的晃动频率通过求解下式得到：式中是液体的第i阶晃动频率，λ,是一阶贝塞尔函数导数的第i个根，g是重力加速 度，R是圆柱形水箱的底面半径，Η是水箱结构中液体的高度;Fourier变换的典型用途是将 信号分解成振幅分量和频率分量，方程如下：式中，f(t)是随时间t变化的数据信号，F( ω )是f(t)的频谱函数，|F( ω ) |是f(t)的振 幅频谱。3. 根据权利要求1所述的异形水箱结构液体晃动频率测试方法，其特征在于： 本方法所采用的装置包括:振动台（1)、异形水箱结构(2)、孔隙水压力传感器(3)、高速 静态应变测试分析系统(4)、计算机(5); 各部分主要功能如下:振动台（1)负责提供激励输入;异形水箱结构(2)用以承载液体； 孔隙水压力传感器(3)用以测量布置点处水压;高速静态应变测试分析系统(4)用以采集孔 隙水压力传感器测量到的水压;计算机(5)用以记录传感器布置处水压时程曲线，进行数据 处理;孔隙水压力传感器(3)、高速静态应变测试分析系统(4)、计算机(5)之间通过数据连 接线连接;实验时，振动台（1)给异形水箱结构(2)提供输入，通过高速静态应变测试分析系 统(4)采集并记录动水压力时程曲线，利用Fourier变换将"时间-动水压"时程曲线转换为 "频率-幅值"曲线，以此来识别各阶晃动频率。
【文档编号】G01M7/02GK105928677SQ201610231790
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】李小军, 宋辰宁, 韩杰
【申请人】北京工业大学