[发明专利]基于应变监测的工装构件关键区域位移场预测方法

权利要求书

1.一种基于应变监测的工装构件关键区域位移场预测方法，该方法先建立位移场预测实验系统，并通过仿真分析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；采用激光跟踪仪对构件测点位移的真值精确测量；然后，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预测；依据拟合优化算法，对构件关键区域的位移场进行预测，实现基于应变监测的工装构件关键区域位移场预测；方法的具体步骤如下：

第一步 建立位移场预测实验系统；

首先将施力辅助装置(2)移动到与被测工装构件(6)空间相对位置合适的位置，将气泵(1)与施力辅助装置(2)连接好；施力装置(5)由施力板(11)、若干个靶球座(12)、若干个激光跟踪仪靶球(13)及一个施力头(14)组成，先将激光跟踪仪靶球(13)安装到靶球座(12)上，再将靶球座(12)分别安装到施力板(11)上对应插孔中；把施力头(14)安装到施力板(11)上对应插孔中，确定好施力板(11)与被测工装构件(6)接触的位置，将施力装置(5)固定到被测工装构件(6)上；利用气泵(1)充气使施力辅助装置(2)的高度与施力位置大致保持同一高度，锁死施力辅助装置(2)；将高强度线绳(4)绕过施力装置(5)的卡槽，汇集到施力辅助装置(2)顶端的滑槽中；并在高强度线绳(4)的汇集端施加与实际情况一致的载荷，载荷的施加通过高精度砝码(3)实现；通过激光跟踪仪(10)确定施力装置(5)空间位置，进一步确定施力的方向；并将应变传感器(7)安装布置在被测工装构件(6)上的相应位置；将应变传感器(7)与应变解调仪(8)连接；再将应变解调仪(8)与电脑服务器(9)连接，激光跟踪仪(10)与电脑服务器(9)连接，完成位移场预测实验系统的整体连接；

第二步基于构件实际受力情况进行仿真分析，确定应变传感器数量及布局；

根据被测工装构件(6)的基本结构参数、材料属性，并结合施力的位置、方向及大小进行有限元仿真分析，确定出应变传感器(7)的布置位置及数量；用应变传感器(7)测量载荷下构件型面多点的应变值，激光跟踪仪(10)对构件型面对应点位移真值进行精确测量，利用电脑服务器(9)进行数据采集及处理；

第三步利用应变—位移物理模型，重构测点变形位移值；

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，w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；

设在x位置被测构件表面到其中性面的距离为y，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，经过积分运算实现构件的变形位移预测；

根据上述关系，结合应变传感器的具体布置方式，被测件的变形位移预测计算方程为：

其中，Δl为应变传感器之间的距离，h为工装构件的厚度，ε_i为应变传感器的测量值，i＝1,2,3...；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w₀＝0；对于两端固支的结构，则为w₀＝tanθ₀＝0，w_n＝tanθ_n＝0；对于一端固定另一端简支的结构，固定端有w₀＝tanθ₀＝0，简支端则有w_n＝0，tanθ_n≠0；

由于应变传感器总存在一定体积，构件根部应变ε₀难以直接测量，则根据胡克定律及平面应力物理条件结合应力应变几何方程、圣维南原理及式(1)-(3)推导出：

其中，u_i，v_i为被测构件预测点的位移分量，i＝0,1,2...，常数ω，u₀，v₀为刚体位移，μ被测构件材料的泊松比；

依据被测工装构件为一端固定，一端自由的边界条件，将式(5)-(7)联立，得到方程组：

其中，l为被测工装构件的长度；

解算式(8)求出构件根部应变ε₀，将其代入式(5)、(6)完成构件从根部开始的位移场预测；

第四步采用拟合优化算法预测被测工装构件关键区域位移场；

被测工装构件上已经求得n个已知测点的变形位移值，根据构件不同的变形情况，选择合适的拟合优化算法对被测工装构件的重点区域位移场进行预测，选择的算法有样条插值算法、多项式拟合算法、或最小二乘优化算法，完成被测工装构件关键区域位移场的预测；最后，要检查预测精度是否满足要求，若满足，结束预测实验；不满足返回到第二步，重新确定应变传感器数量及布局，直到满足预测精度，结束预测实验。