一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及振动系统参数识别技术领域，特别涉及一种基于软测量技术的谐振式 疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法。
【背景技术】
[0002] 电磁谐振式高频疲劳试验机的工作性能直接影响着试验结果的准确性，即在裂纹 扩展过程中严格跟踪系统的固有频率并控制试验载荷的稳定性，为达到这一目的，需建立 系统的动力学模型，并对系统的动态特性进行精确的分析，这样首先需要对振动系统的质 点质量和弹簧刚度进行测量和计算，但振动系统的质点是由多个不同形状、材质的部件组 成，对质点质量进行直接测量有很大的局限性，虽然系统的刚度一般可通过有限元方法计 算，但一些振动系统的弹簧形状、受力、约束较为复杂，在模型的建立过程中会有很多繁琐 的工作。
【发明内容】
[0003] 为了克服已有谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方式的可操作性较 差、成本较高、准确性较差的不足，本发明提供一种可操作性良好、成本较低、准确性良好的 基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法，包括 以下步骤：
[0006] 1)对振动系统进行结构分析，建立系统三自由度振动力学模型，并对该力学模型 进行受力分析，得到动力学方程，由动力学方程推导得到关于系统固有频率、弹簧刚度和质 点质量关系的系统频率方程；
[0007] 2)根据有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度，通过固有频率测量实验方 法测出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率；
[0008] 3)将不同裂纹长度时系统谐振频率值及相应试件刚度代入到系统频率方程中，得 到关于待识别质量和刚度为未知数的超定方程组；
[0009] 4)通过最小二乘法解超定方程组，得出其关于质量和刚度的最小二乘解，从而得 到一个关于质量和刚度的非线性方程组；
[0010] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一个关于质量和刚度的非线性方程组，从 而识别出所述振动系统参数质量和刚度。
[0011] 进一步，所述参数识别方法还包括以下步骤：6)进行方法精确性验证：在试验台 上增加砝码，改变系统的主振质量，采用所提出方法识别出所添加砝码的质量，并与真实砝 码的质量做比较，如果相对误差在预设范围内，则验证所述参数识别方法的合理性。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系 统的参数识别方法通过把振动系统模型简化之后，建立系统的动力学方程，推导其系统频 率方程，利用有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度，利用固有频率测量实验方法 测出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率，把相应的试件刚度及谐振频率代入系统频率 方程求解即可进行振动系统参数识别。实验可操作性强，单次实验费用较低。通过这种方 法能够准确地识别出振动系统的质量与刚度。
【附图说明】
[0013] 图1是基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法基 本流程示意图；
[0014] 图2是基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法中 电磁谐振式疲劳试验机（PLG-100)结构图；
[0015] 图3是基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法中 系统的振动力学模型；
[0016] 图4是基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法中 三自由度线性振动系统力学模型；
[0017] 图5是基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法中 标准CT试件尺寸图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0019] 参照图1~图5, 一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参 数识别方法，包括以下步骤：
[0020] 1)对振动系统进行结构分析，建立系统三自由度振动力学模型，并对该力学模型 进行受力分析，得到动力学方程，由动力学方程推导得到关于系统固有频率、弹簧刚度和质 点质量关系的系统频率方程；
[0021] 2)根据有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度，通过固有频率测量实验方 法测出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率；
[0022] 3)将不同裂纹长度时系统谐振频率值及相应试件刚度代入到系统频率方程中，得 到关于待识别质量和刚度为未知数的超定方程组；
[0023] 4)通过最小二乘法解超定方程组，得出其关于质量和刚度的最小二乘解，从而得 到一个关于质量和刚度的非线性方程组；
[0024] 5)最后利用Newton-Raphson公式，求解一个关于质量和刚度的非线性方程组，从 而识别出所述振动系统参数质量和刚度。
[0025] 进一步，所述参数识别方法还包括以下步骤：6)进行方法精确性验证：在试验台 上增加砝码，改变系统的主振质量，采用所提出方法识别出所添加砝码的质量，并与真实砝 码的质量做比较，如果相对误差在预设范围内，则验证所述参数识别方法的合理性。
[0026] 以电磁谐振式疲劳试验机为例进行说明，一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹 扩展试验振动系统的参数识别方法，包括以下步骤：
[0027] 1)首先对图2所示的电磁谐振式疲劳试验机的结构进行了分析。伺服电机、涡轮 蜗杆传动机构m6和移动横梁m 4通过导向立柱与框架式机架m 5相连，机架通过四个减震弹 簧k5与大地相连。平衡铁和电磁铁线圈通过激振弹簧k 3与工作台相连，电磁衔铁、下夹具 和工作台通过主振弹簧匕与移动横梁相连。上夹具和法兰m i通过力传感器k i与机架相连， 试件1^2通过销钉分别与上夹具和下夹具相连。主振质量和激振质量是影响主机谐振性能的 关键性因素，其中主振质量m 2包括电磁衔铁、工作台以及工作台上的法兰和下夹具的质量， 激振质量m3包括平衡铁和电磁铁线圈。通过研宄系统各机械部分的连接以及相互作用，建 立了系统振动力学模型，结果参阅图3。由于机座的质量!^、!^和&要远远大于系统的主振 质量m 2和激振质量m 3，而减震弹簧的刚度又远远小于系统其它弹簧的刚度，因此系统可以 简化为三自由度线性振动系统力学模型，结果参阅图4。对于此模型取向下为正方向，根据 牛顿第二定律和三自由度质量一一弹簧系统自由振动模型建立系统运动方程为：
【主权项】
1. 一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法，其特征 在于：包括以下步骤： 1) 对振动系统进行结构分析，建立系统三自由度振动力学模型，并对该力学模型进行 受力分析，得到动力学方程，由动力学方程推导得到关于系统固有频率、弹簧刚度和质点质 量关系的系统频率方程； 2) 根据有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度，通过固有频率测量实验方法测 出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率； 3) 将不同裂纹长度时系统谐振频率值及相应试件刚度代入到系统频率方程中，得到关 于待识别质量和刚度为未知数的超定方程组； 4) 通过最小二乘法解超定方程组，得出其关于质量和刚度的最小二乘解，从而得到一 个关于质量和刚度的非线性方程组； 5) 最后利用Newton-Raphson公式，求解一个关于质量和刚度的非线性方程组，从而识 别出所述振动系统参数质量和刚度。
2. 如权利要求1所述的基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数 识别方法，其特征在于：所述参数识别方法还包括以下步骤：6)进行方法精确性验证：在试 验台上增加砝码，改变系统的主振质量，采用所提出方法识别出所添加砝码的质量，并与真 实砝码的质量做比较，如果相对误差在预设范围内，则验证所述参数识别方法的合理性。
【专利摘要】一种基于软测量技术的谐振式疲劳裂纹扩展试验振动系统的参数识别方法，包括以下步骤：1)建立系统三自由度振动力学模型，得到动力学方程，推导得到关于系统固有频率、弹簧刚度和质点质量关系的系统频率方程；2)根据有限元方法计算出不同裂纹长度下试件的刚度，测出裂纹扩展到不同长度时系统的谐振频率；3)将不同裂纹长度时系统谐振频率值及相应试件刚度代入到系统频率方程中，得到关于待识别质量和刚度为未知数的超定方程组；4)通过最小二乘法解超定方程组，得到关于质量和刚度的非线性方程组；5)利用Newton-Raphson公式，求解非线性方程组，识别出振动系统参数质量和刚度。本发明可操作性良好、成本较低、准确性良好。
【IPC分类】G01N3-62
【公开号】CN104777054
【申请号】CN201510050092
【发明人】高红俐, 郑欢斌, 刘辉, 刘欢, 朱亚伦
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年5月18日