[发明专利]基于波的高速旋转管状结构的转速及应变监测方法

说明书

本发明公开一种基于波的高速旋转管状结构的转速及应变监测方法，在管状结构外表面给予波激励，在接收位置对激励波进行接收，接收位置与施加波激励的位置在管状结构的同一横截面上且与管状结构的旋转方向相反的外表面，两个位置夹角小于180°，激励波的波长与管状结构外边界周长相同，控制激励波的频率从零开始不断增加，同时分析接收波的频率，当出现第一个最大的共振频率时停止激励，获得的共振频率的值的大小就是管状结构旋转的角速度大小，根据管状结构转速与应变的关系，得到旋转体内部一点的应变情况。本基于波的非接触监测方法，无需植入设备，对原结构干扰小，对空间条件要求低，同时，适用于任意尺寸的且包括已投入使用的旋转管状结构。

技术领域

本发明涉及结构动态监测领域，尤其是基于波的高速旋转管状结构的转速及应变监测方法。

背景技术

高速旋转的管状结构广泛用于各类转子、飞轮等工业结构，在应用过程中，通常需要对其转速和应变情况进行监测，避免转速过高、应变过大带来的结构破坏。现有的针对高速旋转结构的转速监测方法，植入式设备在损坏后难以修复，而非植入式设备需要在转轴上外接设备或通过结构旋转过程对传感器进行遮挡来实现，不适用于转轴无法提供外接空间以及管状结构无法实现周期性遮挡的情形。针对应变监测的方法，传统应变片需要外接线路以及监测设备，布置较为繁琐，而通过植入式设备进行信号采集并将采集到的信号无线传输到监测设备的应变监测方式，同样面临上述损坏后难以修复的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于波的高速旋转管状结构的转速及应变监测方法，具体技术方案如下：

一种基于波的高速旋转管状结构的转速及应变监测方法，该方法包括如下步骤：

在管状结构外表面给予波激励，在接收位置对激励波进行接收，所述的接收位置与施加波激励的位置在旋转管状结构的同一横截面上，且所述的接收位置位于与管状结构的旋转方向相反的外表面，且两个位置夹角小于180°，激励波的波长与管状结构外边界周长相同，控制激励波的频率从零开始不断增加，在增加激励频率的同时，分析接收波的频率，当出现第一个最大的共振频率时停止激励，获得的共振频率的值的大小就是管状结构旋转的角速度大小，根据管状结构转速与应变的关系，得到旋转体内部一点的径向应变ε_r和环向应变ε_θ。

进一步地，所述径向应变ε_r和环向应变ε_θ大小按如下公式获得，

r∈[a,b],θ∈[0,2π)

其中，u_r是管状结构内部任意一点的径向位移，r为径向坐标，θ为环向坐标，Ω为管状结构旋转角速度，a为管状结构的内径，b为管状结构的外径，ρ为结构材料的质量密度，E为结构材料的杨氏模量，ν为泊松比，π为圆周率，系数C₁与C₂的取值与管状结构的边界条件有关:

若旋转管状内外边界均为自由边界，则所述系数满足：

在内外边界上成立，从而得到系数取值，

若管状结构的内边界固定、外边界自由，则所述系数满足：

在外边界上在内边界上u_r＝0，从而得到系数取值。