[发明专利]一种基于功能原理的动载荷识别方法

说明书

本发明公开了一种基于功能原理的动载荷识别方法，属于结构动力学的反问题技术领域。本发明所提出的基于功能原理的动载荷识别方法为一种针对多自由度系统已知载荷作用点位置的时域方法，根据能量守恒原理，外力对系统所做的功，等于系统动能和势能的改变量以及该段时间的耗散能之和，从而计算出所作用的载荷大小。本方法能对单个时间上表示为连续性的任意载荷进行准确识别，即能够识别出作用在结构上外力的实时大小。本发明的方法不仅思路简单，也易于执行。

技术领域

本发明属于结构动力学的反问题技术领域，具体涉及一种基于功能原理的动载荷识别方法。

背景技术

对结构的动载荷进行识别，一直是工程上的难题，尤其是动载荷的时域识别。大多数情况下，作用在工程结构上的动载荷，如高性能战斗机在大攻角机动飞行时作用在垂尾结构上的抖振载荷，是无法直接测量的，只能通过测试结构在动载荷作用下的动态响应来识别出结构的动载荷。随着科学技术的不断进步，工程结构的设计变得越来越精细，为了确保结构的振动在可接受的范围内或者设计的可靠性，设计人员需要知道作用在结构上的外载荷。一般来说结构所受的静载荷是比较容易确定的，而动态载荷其幅值随着时间的变化而难以预测。当动载荷的频率范围覆盖结构的共振频率时,结构会因共振而引起结构振动疲劳问题。因此在进行大多数的工程结构设计时,不仅要考虑其设计静载荷,而且还必须考虑动载荷的影响,以避免其发生振动疲劳失效。动载荷识别方法又分为频域法和时域法，频域法已较为成熟。时域法中也有较多方法，如卡尔曼滤波方法。现有的载荷识别时域法中，不能对低频载荷有效识别，而且对于在时间上连续的载荷，特别是随机载荷，也不能准确识别，只能识别其统计特征(例如均值、方差)。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于功能原理的动载荷识别方法，能够对时间连续的载荷进行准确的识别。

技术方案：为达到上述目的，本发明提出的一种基于功能原理的动载荷识别方法，其原理为：根据能量守恒原理，外力对系统所做的功，等于系统在该段时间内动能和势能的改变量以及该段时间内的耗散能之和。方法包括以下步骤：

S1、用传感器记录下所要识别时间段内系统中各个质量块的速度和位移。对于多自由度系统，可以用位移和速度传感器得到各自由度的位移和速度，或者只用加速度传感器记录各自由度的振动，积分得到速度和位移。

S2、将该段记录时间以Δt划分成若干个微段。理论上，每个微段Δt的取值越小越好，但是取值越小计算量越大，需综合考虑，优选地，微段取0.1秒。

S3、计算每个微段的动能改变量、势能改变量、耗散能，其中，动能改变量为该微段段末时刻动能减去段始时刻动能，势能改变量为该微段段末时刻势能减去段始时刻势能，耗散能为该微段时间内阻尼消耗的能量。

S4、假设每个微段内载荷恒定，根据能量守恒原理，在每个微段时间内有：

外力×位移＝动能改变量+势能改变量+耗散能

由于外力和位移均有方向，外力与位移方向一致时对系统做正功，方向相反时对系统做负功，所以需要指定其中某一方向为正向。从而识别出每个微段的载荷(即外力)。

S5、将步骤S4中每个微段识别出的载荷拟合成曲线，即为所要识别的时域载荷。其中，拟合点取每个微段段起始时刻所识别的载荷。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的基于功能原理的动载荷识别方法，为针对多自由度系统已知载荷作用点位置的一种时域方法，能对单个时间上表示为连续性的任意载荷进行准确识别，能够识别出作用在结构上外力的实时大小。本发明的方法不仅思路简单，也易于执行。而且无论对于何种形式的载荷，只要在时间上表示为连续性的载荷，都可以进行识别。

附图说明

图1为根据本发明实施例的三自由度质量弹簧无阻尼系统图；