基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法，评估系统包括若干无线智能节点、基站和监控中心。无线智能节点包括多个前端采集模块、第一数据处理单元、第一无线收发器、第一高增益天线和供电单元。基站包括若干第二高增益天线、若干第二无线收发器、第二数据处理单元和网络转换单元。评估系统采用无线传输方式，避免了现场拉线、布线工作，易于安装且不影响桥梁的正常运营。无线智能节点内部嵌入疲劳评估算法，采集的大量原始数据会在节点内部进行处理，最终结果会发送到基站，无线传输的数据量大幅度减少，保证了数据无丢失，同时节省了能耗。
【专利说明】基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对钢桥结构的疲劳评估系统及方法，特别涉及一种基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着整体节点正逐渐在大跨度钢桁架桥设计中被采用，在交通荷载作用下焊接局部的疲劳问题日益引起人们的重视。疲劳破坏是焊接钢结构失效的一种主要形式，失效破坏的特点之一是焊接钢结构长期承受着低于材料屈服点的周期循环荷载，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或发生完全断裂。由于这样的结构的破坏断裂往往是突然性的，很少具有先期预兆性，因此带来的损失是巨大的。
[0003]引起结构疲劳的内因是结构本身特性，外因是作用在结构上不断变化的动荷载，要研究结构的疲劳，首先必须研究作用在结构上的荷载在结构中产生的应力。
[0004]很多情况下，作用在结构上的荷载是随时间变化的，这种加载过程称为荷载-时间历程。为了记录桥梁运营期间的荷载-时间历程，传统的有线检测手段通常需要经过繁琐的拉线、布线工作，造价昂贵，安装极其不便，往往影响了桥梁的正常运营，很难得到桥梁正常运营阶段的荷载-时间谱。另外，钢桥桁架结构节点处，由于焊缝较多，形式多样，有线检测手段往往很难在这些关键位置部署多个测点，而且每个测点大都采用集中式数据处理技术，大量的冗余数据都会集中发送到评估中心，往往容易造成系统瘫痪。目前还缺少有效的手段能够快速的、便捷的对钢桥的疲劳寿命进行评估。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法，满足安装便捷，操作简单，测试精度高，不影响桥梁正常运营等要求。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统，包括若干无线智能节点、基站和监控中心。
[0008]所述无线智能节点包括多个前端采集模块、第一数据处理单元、第一无线收发器、第一高增益天线和供电单元；所述前端采集模块包括应变计、惠斯通电桥、可调放大电路、四通道模数转换器、可编程抗混叠滤波器和数字输出接口 ；所述第一数据处理单元包括内嵌疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器、输入接口和输出接口 ；所述前端采集模块上的所述数字输出接口与所述数据处理单元上的输入接口连接；所述数据处理单元上的所述输出接口与所述第一无线收发器连接；所述第一无线收发器与所述第一高增益天线连接；所述供电单元为所述多个前端采集模块、所述第一数据处理单元和所述第一无线收发器供电。
[0009]所述基站包括若干第二高增益天线、若干第二无线收发器、第二数据处理单元和网络转换单元；所述第二无线收发器和所述第一无线收发器一一对应，且所述第一无线收发器通过所述第一高增益天线和所述第二高增益天线与所述第二收发器无线连接；所述第二无线收发器与所述第二数据处理单元连接；所述第二数据处理单元包括内嵌综合疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器；所述第二数据处理单元通过所述网络转换单元与所述监控中心网络连接。
[0010]本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估方法，包括以下步骤:
[0011]I)将若干无线智能节点布置在钢桥易发生疲劳的若干焊接点。
[0012]2)所述无线智能节点上的前端采集模块采集由外界环境激励所引起的应变数据，并将应变数据去除噪声。
[0013]3)所述无线智能节点上的第一数据处理单元将步骤2)滤波后得到的所述应变数据转换为应力历程。
[0014]4)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用雨流计数法计算外界环境激励下的应力幅和其对应的循环次数。
[0015]5)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用数学统计分析，确定外界环境激励下的日均标准应力谱。
[0016]6)所述无线智能节点上的第一数据处理单元根据对应焊接节点细节,确定焊接节点的标准S-N曲线。
[0017]7)所述无线智能节点上的第一数据处理单元利用Miner准则计算焊接节点的疲劳寿命，得到评估结果。
[0018]8)每个所述无线智能节点将步骤7)得到的所述评估结果通过无线发送至基站，所述基站综合全部所述评估结果对整个桥梁进行疲劳寿命评估，并将所述评估结果通过网络传送至监控中心。
[0019]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
[0020]本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统及方法，采用无线传输方式，避免了现场拉线、布线工作，易于安装且不影响桥梁的正常运营；无线智能节点内部嵌入疲劳评估算法，采集的大量原始数据会在节点内部进行处理，最终结果会发送到基站，从而保证了无线传输的数据量大幅度减少，一方面保证了数据无丢失，另一方面节省了能耗；每个无线智能节点配置多个应变采集模块，综合多个应变模块采集的数据，可以利用多种方法推算结构的热点应力，满足测试方法多样性的要求；无线智能网络可同时采集钢桥不同结构处的应变信息，综合多个结构的不同评估结果，可以更有效的对整个钢桥疲劳寿命进行评估；本发明不仅可以用于钢桥的疲劳评估，也适用于长期受风荷载影响的高层建筑的疲劳寿命评估。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统的结构示意图。
[0022]图2为本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统的前端采集模块结构图。
[0023]图3为本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统的无线智能节点结构图。
[0024]图4为本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统的基站结构图。
[0025]图5为本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估方法的疲劳算法评估流程。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027]如图1所示，本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统，包括若干无线智能节点、基站和监控中心。
[0028]大跨度的钢桥往往承受着多种外界环境激励，如车载、风载、船舶撞击等，而对于长期承受着车载、风载这种低于材料屈服点的的周期循环荷载，容易产生局部的永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或发生完全断裂。这样的结构的破坏断裂往往是突然性的，很少具有先期预兆性，然而带来的损失是巨大的。
[0029]因此，必须在钢桥的关键区域，通常为焊接结构处，布置若干无线智能节点用来采集荷载在结构处产生的应力，并在节点内部评估该焊接结构的疲劳寿命。各个无线智能节点得出的评估结果将以无线传输的方式发送到基站，基站综合各个节点的评估结果后评估出整个钢桥的疲劳寿命。最终结果会通过网络转换单元以IP网络的方式发送到监控中心。监控中心人员根据结果有针对性的对钢桥进行维护和管理。
[0030]如图2所示，无线智能节点包括多个前端采集模块、第一数据处理单元、第一无线收发器、第一高增益天线和供电单元。
[0031]前端采集模块包括应变计、惠斯通电桥、可调放大电路、四通道模数转换器、可编程抗混叠滤波器和数字输出接口。
[0032]前端采集模块上的应变计采集由外界荷载引起的结构应变信息，通过惠斯通电桥转换为电压信号。此处的电压信号非常微小，必须经过可调放大电路进行放大，放大倍数需匹配模数转换器的输入要求。放大后的信号往往还带有若干噪声，因此必须利用抗混叠滤波器进行滤波，最后通过数字接口输出。四通道的模数转换器可以允许外接四个应变计，这样可以采用多种方法来推算焊接结构的热点应力。可编程抗混叠滤波器可根据实际情况设定不同采样率和截止频率以满足不同测试需求。
[0033]第一数据处理单元包括内嵌疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器、输入接口和输出接口。大容量存储器为32MB FLASH，无线智能节点采集到的应变原始数据可以预存储在FLASH里，经过分析评估后将结果直接发送给基站。一方面保证了无线传输数据量大幅度减少，另一方面避免了多个节点的大量数据同时发送给基站(易丢包)。
[0034]第一无线收发器采用Zig-bee协议，满足在2.4GHz频段的数据通信，且提供16个通道切换以保证不受其他无线信号干扰。
[0035]如图3所示无线智能节点的供电单元为多个前端采集模块、第一数据处理单元和第一无线收发器供电。供电单元采用便携式电源供电，如大容量锂电池或者干电池。各无线智能节点均采用低功耗的微型电子元器件，可以满足长时间工作，同时体积非常小，易于安装，更换便捷。同时，各无线智能节点还可以切换处理器工作频率(13MHz?416MHz)，从而最大限度的节省能量。
[0036]前端采集模块上的数字输出接口与数据处理单元上的输入接口连接。数据处理单元上的输出接口与第一无线收发器连接。第一无线收发器与第一高增益天线连接。
[0037]如图4所述，基站包括若干第二高增益天线、若干第二无线收发器、第二数据处理单元和网络转换单元。第二无线收发器和第一无线收发器一一对应，且第一无线收发器通过第一高增益天线和第二高增益天线与第二收发器无线连接。第二无线收发器与第二数据处理单元连接。第二数据处理单元包括内嵌综合疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器。第二数据处理单元通过网络转换单元与监控中心网络连接。
[0038]如图5所示，将本发明基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估方法编制成代码嵌入到无线智能节点中，该评估方法包括以下步骤:
[0039]I)将若干无线智能节点布置在钢桥易发生疲劳的若干焊接点；
[0040]2)所述无线智能节点上的前端采集模块采集由外界环境激励所引起的应变数据，并将应变数据去除噪声；
[0041]3)所述无线智能节点上的第一数据处理单元将步骤2)滤波后得到的所述应变数据转换为应力历程。通常可以通过乘以材料的弹性模量来完成，公式如下，
[0042]σ = E* ε
[0043]其中σ为应力，ε为应变，E为材料的弹性模量。
[0044]4)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用雨流计数法计算外界环境激励下的应力幅和其对应的循环次数；
[0045]5)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用数学统计分析，确定外界环境激励下的日均标准应力谱；
[0046]6)所述无线智能节点上的第一数据处理单元根据对应焊接节点细节,确定焊接节点的标准S-N曲线,公式如下，
[0047]N*Sm = K0* Λ d
[0048]其中Ktl, Λ，m，d均为常数，S为应力幅，N为对应的疲劳发生条件下的循环次数。
[0049]7)所述无线智能节点上的第一数据处理单元利用Miner准则计算焊接节点的疲劳寿命，得到评估结果，公式如下，
F =-?-
[0050]365* Y
,Ni
[0051]其中Ili表示利用雨流法计算出来的第i个应力幅的循环次数，Ni表示根据标准S-N曲线获得的同等应力幅疲劳发生条件下的循环次数，对于大量的小于Stl的应力幅值，需要乘以衰减因子Xi, Xi可以根据如下公式获得，
[0052]Ai = (SiZS0)2, Si < S0
[0053]λ i = I，Si 彡 S0
[0054]其中S。为焊接节点的应力阀值。
[0055]8)每个所述无线智能节点将步骤7)得到各个无线智能节点的的评估结果通过无线统一发送至基站，基站综合全部所述评估结果对整个桥梁进行疲劳寿命评估，最终评估结果会通过网络转换单元以IP访问方式传送至监控中心，供运营管理部门参考。
【权利要求】
1.基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估系统，其特征在于，包括若干无线智能节点、基站和监控中心； 所述无线智能节点包括多个前端采集模块、第一数据处理单元、第一无线收发器、第一高增益天线和供电单元；所述前端采集模块包括应变计、惠斯通电桥、可调放大电路、四通道模数转换器、可编程抗混叠滤波器和数字输出接口 ；所述第一数据处理单元包括内嵌疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器、输入接口和输出接口 ；所述前端采集模块上的所述数字输出接口与所述数据处理单元上的输入接口连接；所述数据处理单元上的所述输出接口与所述第一无线收发器连接；所述第一无线收发器与所述第一高增益天线连接；所述供电单元为所述多个前端采集模块、所述第一数据处理单元和所述第一无线收发器供电； 所述基站包括若干第二高增益天线、若干第二无线收发器、第二数据处理单元和网络转换单元；所述第二无线收发器和所述第一无线收发器一一对应，且所述第一无线收发器通过所述第一高增益天线和所述第二高增益天线与所述第二收发器无线连接；所述第二无线收发器与所述第二数据处理单元连接；所述第二数据处理单元包括内嵌综合疲劳寿命评估方法的高性能处理器、大容量存储器；所述第二数据处理单元通过所述网络转换单元与所述监控中心网络连接。
2.基于无线智能节点的钢桥疲劳寿命便携式评估方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将若干无线智能节点布置在钢桥易发生疲劳的若干焊接点； 2)所述无线智能节点上的前端采集模块采集由外界环境激励所引起的应变数据，并将应变数据去除噪声； 3)所述无线智能节点上的第一数据处理单元将步骤2)滤波后得到的所述应变数据转换为应力历程； 4)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用雨流计数法计算外界环境激励下的应力幅和其对应的循环次数； 5)所述无线智能节点上的第一数据处理单元，利用数学统计分析，确定外界环境激励下的日均标准应力谱； 6)所述无线智能节点上的第一数据处理单元根据对应焊接节点细节，确定焊接节点的标准S-N曲线； 7)所述无线智能节点上的第一数据处理单元利用Miner准则计算焊接节点的疲劳寿命，得到评估结果； 8)每个所述无线智能节点将步骤7)得到的所述评估结果通过无线发送至基站，所述基站综合全部所述评估结果对整个桥梁进行疲劳寿命评估，并将所述评估结果通过网络传送至监控中心。
【文档编号】G08C17/02GK104266921SQ201410562432
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】都思丹, 陈红梅, 沈庆宏 申请人:南京嘉视信电子有限公司, 南京金晓电子信息有限公司