一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法

1.本发明涉及健康计算领域，尤其涉及一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法。


背景技术：

2.随着经济社会的发展，板料成型加工装备正经历着面向全域的轻量化、智能化、可视化的快速发展，对诸如折弯机、转塔冲床、四边折弯机等常见的板料成型装备在运行过程中的安全性提出了新的挑战。这些设备往往都布置于人力密集型工厂的生产线上，若发生安全事故，轻则影响企业的正常工序工部生产，重则造成生命与财产损失，因此对运行过程中的板料成型加工设备进行在线安全评估是必要的。目前，大量板料成型设备的安全评估是离线状态下实现的，不能够充分考虑设备的实时状态，更不能以尺剪差的双路反馈效应为基础来体现系统性失效安全，因此，从考虑尺剪差双路效应的基础上来反馈板料成型设备的安全指标是非常必要的。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法。
4.技术方案：本发明所述方法包括如下步骤：
5.(1)基于谐响应频谱漫值的成型装备结构等级划分；
6.(2)基于光弹扭转的损伤扩展集聚能量值的获得；
7.(3)基于扩展集聚能量的融合修正能量的确定；
8.(4)结构反馈性族状分类等价系数的确定；
9.(5)成型装备结构健康状态值的确定。
10.进一步地，所述步骤(1)包括：
11.(1.1)在pro-e软件中建立成型装备中所有结构的三维模型进行装配，并将三维模型导入到有限元分析软件ansys中，设置网格划分，并在具有尖角的应力集中位置进行网格密度上的3-5倍细化；
12.(1.2)网格划分完毕后，对谐响应频率-应变数值进行求解，并代入下式对谐响应频谱的漫值mi进行求解：
[0013][0014]
其中，mi为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值的所有分析频率的平均值，i为结构件编号，i＝1...s，s为结构件的总数，f
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最大值，f
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最小值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱
漫值所有分析应变的平均值，ε
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最大值，ε
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最小值；
[0015]
(1.3)根据mi数值的大小，由大及小对结构件进行重新编号i。
[0016]
进一步地，所述步骤(1.1)中设置网格划分方式为六面体网格。
[0017]
进一步地，所述步骤(1.2)中采用有限元分析软件中的谐响应模块对谐响应频率-应变数值进行求解。
[0018]
进一步地，所述步骤(2)中将挑选出来的机构件的易损伤部位在有限元分析软件中进行光弹分析，并将光弹分析实时获得的应力因子δk
it
代入下式对结构件的损伤扩展集聚能量值ni进行求解：
[0019][0020]
其中，ni为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，t为光弹分析谱的时间，tq为谱的总时间长度，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，c(δk
it
)
max
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最大值，c(δk
it
)
min
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最小值。
[0021]
进一步地，所述挑选出来的机构件为所有求解的谐响应频谱漫值mi中大于的机构件。
[0022]
进一步地，所述步骤(3)包括在步骤(2)中挑出的频谱漫值大于的机构件上布置传感器，实时对0到tq时刻相对应的机构超声发射幅值b
it
，然后将机构超声发射幅值b
it
代入下式对组态修正能量幅值hi进行求解
[0023][0024]
其中，hi为第i个结构件的融合修正能量，tq为谱的总时间长度，b
it
为第i个结构件在t时刻的结构超声波幅值，c(b
it
)
max
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最大值，c(b
it
)
min
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最小值，ni为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，i＝1...s。
[0025]
进一步地，所述机构件上布置的传感器为超声发射传感器。
[0026]
进一步地，所述步骤(4)在步骤(1)-(3)分析的基础上，代入下式对结构反馈性族状分类等价系数f进行求解：
[0027][0028]
其中，f为结构反馈性族状分类等价系数，mi为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，i为结构件编号，i＝1...s，hi为第i个结构件的融合修正能量，c(mi)
max
为所有结构件mi中的最大值，c(mi)
min
为所有结构件mi中的最小值，c(hi)
max
为所有结构件hi中的最大值，c(hi)
min
为所有结构件hi中的最小值。
[0029]
进一步地，所述步骤(5)在步骤(1)-(4)分析的基础上，代入下式对成型装备结构的健康状态值t进行求解：
[0030][0031]
其中，t成型装备结构的健康状态值，f为结构反馈性族状分类等价系数，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，t为光弹分析谱的时间，t＝1...tq，tq为谱的总时间长度，[δki]为结构材料在断裂时所对应的应力强度因子许用最大值，可查表获取。
[0032]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：可以实现成型装备在实时工况条件下的健康程度数值计算，通过谐响应频谱确定成型装备中的结构等级，结合光弹扭转试验确定损伤扩展集聚能量，将损伤扩展能量与实测的超声能量进行结合反馈性求解结构族状分类等价反馈系数，进而实现成型装备结构健康状态的实时计算。
附图说明
[0033]
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0035]
如图1所示，本发明一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，主要包括如下步骤：
[0036]
(1)基于谐响应频谱漫值的成型装备结构等级划分：
[0037]
在pro-e软件中建立成型装备中所有结构的三维模型进行装配，并将三维模型导入到有限元分析软件ansys中，设置网格划分方式为六面体网格，并在具有尖角的应力集中位置进行网格密度上的3-5倍细化。网格划分完毕后，采用有限元分析软件中的谐响应模块对其谐响应频率-应变数值进行求解，并代入下式对谐响应频谱的漫值mi进行求解
[0038][0039]
其中，mi为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值的所有分析频率的平均值，i为结构件编号，i＝1...s，s为结构件的总数，f
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最大值，f
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最小值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值所有分析应变的平均值，ε
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最大值，ε
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最小值。
[0040]
然后，根据mi数值的大小，由大及小对结构件进行重新编号i。
[0041]
(2)基于光弹扭转的损伤扩展集聚能量值的获得：
[0042]
将s1中所有求解的谐响应频谱漫值mi中大于的结构件挑选出来，对这些结构件的易损伤部位在有限元分析软件中进行光弹分析，并将光弹分析实时获得的应力因子δk
it
代入下式对结构件的损伤扩展集聚能量值ni进行求解
[0043][0044]
其中，ni为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，t为光弹分析谱的时间，tq为谱的总时间长度，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，c(δk
it
)
max
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最大值，c(δk
it
)
min
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最小值。
[0045]
(3)基于扩展集聚能量的融合修正能量的确定：
[0046]
在s2中挑出的频谱漫值大于的结构件上布置超声波传感器，实时对0到tq时刻相对应的结构超声波幅值b
it
，然后将结构超声波幅值b
it
代入下式对融合修正能量幅值hi进行求解
[0047][0048]
其中，hi为第i个结构件的融合修正能量，tq为谱的总时间长度，b
it
为第i个结构件在t时刻的结构超声波幅值，c(b
it
)
max
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最大值，c(b
it
)
min
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最小值，ni为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，i＝1...s。
[0049]
(4)结构反馈性族状分类等价系数的确定：
[0050]
在s1-s3分析的基础上，代入下式对结构反馈性族状分类等价系数f进行求解
[0051][0052]
其中，f为结构反馈性族状分类等价系数，mi为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，i为结构件编号，i＝1...s，hi为第i个结构件的融合修正能量，c(mi)
max
为所有结构件mi中的最大值，c(mi)
min
为所有结构件mi中的最小值，c(hi)
max
为所有结构件hi中的最大值，c(hi)
min
为所有结构件hi中的最小值。
[0053]
(5)成型装备结构健康状态值的确定：
[0054]
在s1-s4分析的基础上，代入下式对成型装备结构的健康状态值t进行求解
[0055][0056]
其中，t成型装备结构的健康状态值，f为结构反馈性族状分类等价系数，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，t为光弹分析谱的时间，t＝1...tq，tq为谱的总时间长度，[δki]为结构材料在断裂时所对应的应力强度因子许用最大值，可查表获取。

技术特征：
1.一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)基于谐响应频谱漫值的成型装备结构等级划分；(2)基于光弹扭转的损伤扩展集聚能量值的获得；(3)基于扩展集聚能量的融合修正能量的确定；(4)结构反馈性族状分类等价系数的确定；(5)成型装备结构健康状态值的确定。2.根据权利要求1所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：(1.1)在pro-e软件中建立成型装备中所有结构的三维模型进行装配，并将三维模型导入到有限元分析软件ansys中，设置网格划分，并在具有尖角的应力集中位置进行网格密度上的3-5倍细化；(1.2)网格划分完毕后，对谐响应频率-应变数值进行求解，并代入下式对谐响应频谱的漫值m
i
进行求解：其中，mi为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值的所有分析频率的平均值，i为结构件编号，i＝1...s，s为结构件的总数，f
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最大值，f
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值频率的最小值，为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值所有分析应变的平均值，ε
imax
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最大值，ε
imin
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值应变的最小值；(1.3)根据m
i
数值的大小，由大及小对结构件进行重新编号i。3.根据权利要求2所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中设置网格划分方式为六面体网格。4.根据权利要求2所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中采用有限元分析软件中的谐响应模块对谐响应频率-应变数值进行求解。5.根据权利要求1所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中将挑选出来的机构件的易损伤部位在有限元分析软件中进行光弹分析，并将光弹分析实时获得的应力因子δk
it
代入下式对结构件的损伤扩展集聚能量值n
i
进行求解：其中，n
i
为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，t为光弹分析谱的时间，t
q
为谱的总时间长度，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，c(δk
it
)
max
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最大值，c(δk
it
)
min
为所有结构件在t时刻的δk
it
中的最小值。
6.根据权利要求5所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述挑选出来的机构件为所有求解的谐响应频谱漫值m
i
中大于的机构件。7.根据权利要求1所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(3)包括在步骤(2)中挑出的频谱漫值大于的机构件上布置传感器，实时对0到t
q
时刻相对应的机构超声发射幅值b
it
，然后将机构超声发射幅值b
it
代入下式对组态修正能量幅值h
i
进行求解其中，h
i
为第i个结构件的融合修正能量，t
q
为谱的总时间长度，b
it
为第i个结构件在t时刻的结构超声波幅值，c(b
it
)
max
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最大值，c(b
it
)
min
为所有结构件在t时刻的b
it
中的最小值，n
i
为第i个结构件的损伤扩展集聚能量值，i＝1...s。8.根据权利要求7所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述机构件上布置的传感器为超声发射传感器。9.根据权利要求1所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(4)在步骤(1)-(3)分析的基础上，代入下式对结构反馈性族状分类等价系数f进行求解：其中，f为结构反馈性族状分类等价系数，m
i
为第i个结构件编号所对应的谐响应频谱漫值，i为结构件编号，i＝1...s，h
i
为第i个结构件的融合修正能量，c(m
i
)
max
为所有结构件m
i
中的最大值，c(m
i
)
min
为所有结构件m
i
中的最小值，c(h
i
)
max
为所有结构件h
i
中的最大值，c(h
i
)
min
为所有结构件h
i
中的最小值。10.根据权利要求1所述的基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，其特征在于，所述步骤(5)在步骤(1)-(4)分析的基础上，代入下式对成型装备结构的健康状态值t进行求解：其中，t成型装备结构的健康状态值，f为结构反馈性族状分类等价系数，δk
it
为第i个结构件在t时刻的应力因子，t为光弹分析谱的时间，t＝1...t
q
，t
q
为谱的总时间长度，[δk
i
]为结构材料在断裂时所对应的应力强度因子许用最大值，可查表获取。

技术总结
本发明公开了一种基于结构族状分类的成型装备结构健康计算方法，包括如下步骤：基于谐响应频谱漫值的成型装备结构等级划分；基于光弹扭转的损伤扩展集聚能量值的获得；基于扩展集聚能量的融合修正能量的确定；结构反馈性族状分类等价系数的确定；成型装备结构健康状态值的确定。本发明通过谐响应频谱确定成型装备中的结构等级，结合光弹扭转试验确定损伤扩展集聚能量，将损伤扩展能量与实测的超声能量进行结合反馈性求解结构族状分类等价反馈系数，进而实现成型装备在实时工况条件下的健康程度数值计算。程度数值计算。程度数值计算。


技术研发人员：黄欣怡 庾豪 周强强 朱林
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/28