[发明专利]一种闭口截面薄壁梁约束扭转变形的实时监测方法

说明书

本发明公开了一种闭口截面薄壁梁约束扭转变形的实时监测方法，该方法通过采用应变传感器测量梁的轴向应变，能够应用理论方法得到梁任意截面的翘曲位移和扭转角度，实现结构约束扭转变形的实时监测，减少实时监测闭口截面薄壁梁约束扭转变形的时间。该方法有助于结构应力应变状态的精确重构，并且为结构形状控制等进一步工作提供形状监测数据。本发明提出基于有限元计算模型的具体实施方案来验证本发明的精确度。本发明与目前其他测量梁约束扭转变形的方法相比，具有精度高、节省时间与成本、效率高等优点。

技术领域

本发明涉及航空航天、土木、桥梁等领域的闭口截面薄壁梁约束扭转变形的实时监测技术领域，尤其涉及一种闭口截面薄壁梁约束扭转变形的实时监测方法。

背景技术

在工程领域中，闭口薄壁梁的扭转易带来结构失稳与破坏等灾难性后果。其中结构约束扭转变形包括截面翘曲等复杂行为，难以精确预测。传统的电阻应变片传感器和先进的光纤传感器(如布拉格光纤光栅(FBG)，分布式光纤) 可测得结构表面应变，进而根据表面应变对结构形状进行重构。目前尚缺乏一种方法能够直接利用结构表面应变与扭转变形的定量关系，对扭转变形进行计算。主要的扭转变形包括截面扭转角和截面翘曲位移，现有的测量方法在测量扭转角度时步骤繁琐，设备繁杂，且无法完成在线监测，另一方面，尚缺乏一种能够精确监测截面翘曲位移的方法。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种闭口截面薄壁梁约束扭转变形的实时监测方法，具体方案为：通过实时测量闭口截面薄壁梁的表面应变从而计算扭转角和翘曲位移，具体方式为:在闭口截面薄壁梁的表面沿轴向选取应变测量点，在应变测量点上粘贴应变传感器并实时测量轴向应变，计算闭口截面薄壁梁的截面扇形 面积，通过应变测量值和扇形 面积推导各横截面的扭转角和翘曲位移，从而对闭口截面薄壁梁的扭转变形进行实时监测。

所述闭口截面薄壁梁的横截面扭转角和翘曲位移采用如下方式计算：

S1：计算该薄壁梁的截面的扇形面积ω(s)的分布：

其中s为测量点在截面外形轮廓线上的曲线坐标，h(s)为旋转中心到s点切线的距离，为剪切余度，计算方法为：

其中J是自由扭转惯性矩，t为壁厚，A_m为闭口截面面积；

S2：沿轴向把梁分为多个测量段，每个测量段长度相等；

S3：在每个测量段的端点，在梁表面布置应变传感器的测量点，测量点的位置为x₀，x₁，x₂，…x_n，其中n+1是测量点的数目，x₀位于梁的一端，x_n位于梁的另一端，其他的测量点在x₀与x_n之间按顺序排列；x₁到x_n排列在一条直线上，该直线与梁轴线平行；在梁截面上，测量点对应的外形轮廓线坐标为s_m；

在测量段[x_i-1,x_i]上，应变表达式为：

其中，ε_i-1和ε_i是x_i-1和x_i处的应变测量值，x方向是梁轴线方向；

S4：获取表面应变与扭转角的关系式为：

其中，是扭转角，ω(s_m)是测量点处的横截面扇形 面积；

S5：获取截面翘曲位移与应变的关系式为：

u(x)＝∫ε(x)dx(5)