[发明专利]一种基于应变传感器的位移场重构方法

摘要

本发明一种基于应变传感器的位移场重构方法属于测量技术领域，涉及一种应用应变传感器的构件整体位移场重构方法。该方法设计了一套位移场重构实验系统，在确定应变传感器布置数量及位置后，利用应变解调仪及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取被测构件形面测点的应变值。采用力传感器及其采集系统对实际载荷进行测量，建立相应的应变—位移物理模型，对多个单点的位移值变化进行重构。再基于位移场反演算法对构件整体位移场进行重构，利用有限元模型对重构的构件整体位移场进行验证，实现了基于应变传感器的构件整体位移场重构过程。该方法过程简单，易操作，具有高测量精度和速度，提高了构件整体位移场重构精度与效率。

主权项

1.一种基于应变传感器的位移场重构方法，其特征是，该方法先设计了一套位移场重构实验系统，在确定应变传感器布置数量及位置后，利用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取被测构件形面测点的应变值；采用力传感器及其采集系统对实际载荷进行测量，建立了相应的应变—位移物理模型，对多个单点的位移值变化进行重构；基于位移场反演算法对构件整体位移场进行重构，再利用有限元模型对重构的构件整体位移场进行验证，实现基于应变传感器的构件整体位移场重构过程；方法的具体步骤如下：第一步 基于被测构件基本参数确定应变传感器数量及布局首先确定被测构件(2)的基本结构参数、材料属性，然后通过对被测构件(2)的有限元仿真分析，最终确定应变传感器(3)的布置位置及数量，并将传感器(3)安装布置在被测构件(2)上的相应位置；第二步 获取载荷作用下被测构件形面多点应变值及对应载荷精确值首先根据被测构件(2)的结构参数，将固定装置(1)以及施力装置(6)安装在实验平台(7)上，然后将被测构件(2)安装在固定装置(1)对应位置处，将力传感器(5)安装在施力装置(6)末端，并安装好力传感器的配套测头(4)，将应变传感器(3)与应变解调仪(10)连接，将力传感器(5)与力值采集系统(8)连接，再将应变解调仪(10)以及力值采集系统(8)与电脑服务器(9)连接，通过测头(4)向被测构件施加载荷，并利用力传感器(5)测量相应的载荷，由应变传感器(3)测量不同载荷下构件形面多点的应变值，利用电脑服务器(9)进行数据采集及处理；第三步 根据力学理论建立应变—位移物理模型，确定多点位移变化值根据材料力学梁结构承受弯曲载荷的微分方程：其中，x为被测构件长度方向坐标，y为测点处的挠度，M(x)为被测构件所受弯曲载荷，E为材料弹性模量，I为x位置处梁截面的惯性矩；假设在x位置被测构件表面到其中性面的距离为c(x)，则其表面应力σ(x)与载荷关系为：根据胡克定律，载荷M(x)与结构应变ε(x)的关系可以表示为：结构的微分方程则表示为：结合被测构件表面应变测量数据和构件的厚度尺寸，经过积分运算即可实现构件的变形位移重构；由于构件表面到中性面的距离测量较为困难，而构件厚度h(x)与构件表面到其中性面距离c(x)之间存在如下关系：其中，ε_top为被测构件上表面测点应变值，ε_bottom为被测构件下表面对应测点应变值；根据上述关系，结合应变传感器的具体布置方式，被测件的变形位移重构计算方程为：对于一端固定另一端自由的结构，边界斜率tanθ₀＝0，边界变形位移量y₀＝0；对于两端固支的结构，则为y₀＝tanθ₀＝0，y_n＝tanθ_n＝0；对于一端固定另一端简支的结构，固定端有y₀＝tanθ₀＝0，简支端则有y_n＝0，tanθ_n≠0；根据不同情况，选择不同的边界条件带入式中，即可重构出被测构件形面上多点变形位移值；第四步采用反距离加权位移场算法重构零件整体位移场被测构件上已经求得n个已知测点的变形位移值，点在构件上的坐标为(x_k,y_k)，其中k＝1,2,…n；定义如下二元函数：其中，d_k为待测点到已知测点的距离，(x,y)为待测点的坐标，z_k为已知关键测点的变形位移值；通过若干离散点的位移值，采用如上反距离加权法即可求出f(x,y)，即被测构件上所有点的变形位移值，重构出零件整体的位移场；第五步建立有限元分析模型对重构的零件整体位移场进行验证根据零件受载荷的实际情况，建立有限元分析模型，同时取零件上部分重构点的位移值与有限元模型上对应节点的位移值进行比对，验证位移场的重构精度；位移场重构精度的验证主要涉及以下两个计算公式，分别是单点误差计算公式和均方根误差计算公式：单点误差计算公式：均方根误差计算公式：其中，X_rec,i为单点位移重构值，X_mod,i为单点模型分析值，n为重构点的个数，i＝1,2…n；通过上述步骤最终完成基于应变传感器的构件整体位移场重构。