韓 濤,段世慧
(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西 西安 710065)
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)加載過程中,位移測點(diǎn)的布置至關(guān)重要。由于在某些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)在某一方向的某點(diǎn)位移較大,加載過程中需要關(guān)注該方向的撓度變化。然而,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)空間的局限性以及試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)量有限,限制了位移測點(diǎn)的個(gè)數(shù)。如果不能在試驗(yàn)件的變形方向上設(shè)置更多的測點(diǎn),結(jié)構(gòu)的撓度就變成了離散的有限位置,即使在測點(diǎn)布置過程中可以針對關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測,對于沒有監(jiān)測的部位仍然存在較大風(fēng)險(xiǎn)。針對該類撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測問題,需考慮如下兩個(gè)方面的解決辦法,其一是如何對結(jié)構(gòu)撓度的變形趨勢進(jìn)行有效預(yù)估,其二是如何在測點(diǎn)有限的前提下實(shí)現(xiàn)撓度曲線的在線擬合及實(shí)時(shí)顯示。
基于以上需求分析,本文通過虛擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì),提出了撓度預(yù)估方法以及撓度曲線擬合方法,設(shè)計(jì)了以虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示以輔助物理試驗(yàn)的有效方法,并以工程實(shí)例為背景進(jìn)行了驗(yàn)證,確保了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,有效解決了結(jié)構(gòu)的撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測問題。該方法以虛擬試驗(yàn)為主要技術(shù)背景,并結(jié)合數(shù)據(jù)在線處理技術(shù),對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展具有重要的技術(shù)儲(chǔ)備意義。
該測試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)的交互,將虛擬試驗(yàn)撓度分析結(jié)果下載至監(jiān)測系統(tǒng)軟件相應(yīng)模塊,與此同時(shí),對物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并插值擬合,然后上傳至監(jiān)測系統(tǒng)相應(yīng)模塊,在上位機(jī)軟件進(jìn)行集成實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能如圖1所示。
圖1 撓度監(jiān)測系統(tǒng)基本功能
該系統(tǒng)主要測試對象是大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件,當(dāng)試驗(yàn)件變形較大時(shí),進(jìn)行撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測。虛擬試驗(yàn)是以試驗(yàn)件的有限元分析為技術(shù)手段,對試驗(yàn)件較大的撓度位置進(jìn)行預(yù)測,對物理試驗(yàn)的位移傳感器測點(diǎn)布置進(jìn)行指導(dǎo)。物理試驗(yàn)的位移測量部分包括了位移傳感器的選型以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其關(guān)鍵技術(shù)包括在上位機(jī)的軟件中設(shè)置不同的插值擬合模塊以滿足不同結(jié)構(gòu)撓度變化過程中插值算法,提高實(shí)時(shí)對比的準(zhǔn)確度。在數(shù)據(jù)傳輸方面,虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)離線下載至上位機(jī),物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須在線傳輸,所以在設(shè)計(jì)過程中,要保證測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
位移傳感器選擇電流型位移傳感器,此類傳感器便于安裝和固定,最新型的基座設(shè)計(jì)保證了安裝的牢固性并具備隔振功能,以避免試驗(yàn)加載過程中的振動(dòng)導(dǎo)致位移測量數(shù)據(jù)失真。拉線式位移傳感器的形狀和尺寸滿足試驗(yàn)現(xiàn)場安裝空間需求,位移傳感器拉線的抵抗張力較小,其工作過程的拉線張力不足以影響結(jié)構(gòu)變形。激勵(lì)與輸出連接方式與接口形式有利于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接,其主要參數(shù)為量程1000mm,精度0.5級,該量程滿足試驗(yàn)位移測量的要求。
在實(shí)際工程中,應(yīng)該根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的位移大小選擇傳感器量程。由于該測試系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備通用性,試驗(yàn)工程師需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)分析,以預(yù)測結(jié)構(gòu)可能的位移,保證所選擇的傳感器滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)需求。安裝過程中采用了位移傳感器箱,避免油污同時(shí)起到抗電磁干擾作用。為電流型位移傳感器配備獨(dú)立的外置24V直流穩(wěn)壓電源,為其提供激勵(lì)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選取NI PXI-6115數(shù)據(jù)采集卡輔以調(diào)理電路作為數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,調(diào)用與該采集卡配套的測量服務(wù)軟件NI-DAQmx,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境便于調(diào)試、維護(hù)和擴(kuò)展,其精度指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)位移測試的需求。
針對該測試系統(tǒng)的特點(diǎn),測試對象為一個(gè)翼形結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件,由上蒙皮、下蒙皮、10個(gè)翼肋、2個(gè)長長桁、1個(gè)短長桁以及2個(gè)腹板組成。長長桁貫穿整個(gè)機(jī)翼的展向,短長桁到第7長桁截止。
為了保證該測試系統(tǒng)在測量分布的測點(diǎn)直觀,設(shè)計(jì)之初使整個(gè)翼形試驗(yàn)件的蒙皮沿展向?yàn)樽兒穸仍O(shè)計(jì),1~2肋蒙皮厚度為5mm,2~5肋蒙皮厚度為3mm,5~10肋蒙皮厚度為1mm,均為鋁合金材料。該材料的楊氏模量為72GPa,泊松比0.345,密度2734kg/m3。主要采用殼元建立有限元模型,網(wǎng)格單元大小35×35,該模型包含10323個(gè)單元,9299個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2所示。
圖2 翼形結(jié)構(gòu)有限元模型
驗(yàn)證試驗(yàn)以一端固支、一端自由為加載方案,分析過程中建立了約束端,并在加載點(diǎn)處施加載荷,對單點(diǎn)調(diào)試的500N進(jìn)行計(jì)算預(yù)測,計(jì)算結(jié)果位移云圖如圖3所示。
圖3 500N試驗(yàn)件撓度云圖
對高載階段以5500N極限載荷進(jìn)行計(jì)算預(yù)測,計(jì)算結(jié)果位移云圖如圖4所示。
圖4 5500N試驗(yàn)件撓度云圖
以上分析結(jié)果可以提取在試驗(yàn)件關(guān)鍵撓度變形路徑的撓度曲線,然后導(dǎo)出到上位機(jī)與物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括插值算法和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。
對物理試驗(yàn)測量的有限測點(diǎn)進(jìn)行插值,可以近似獲得試驗(yàn)件撓度曲線,與虛擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示對比。系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)寫入了線性插值和二次插值,以供試驗(yàn)選擇。線性插值如圖5所示,二次插值如圖6所示。
圖5 線性插值算法
圖6 二次插值算法
試驗(yàn)工程師根據(jù)試驗(yàn)類型及需求自行選擇插值的類型,盡量保證曲線光滑。當(dāng)物理試驗(yàn)測點(diǎn)較多時(shí),線性插值即可滿足試驗(yàn)需求。二次插值的光滑性較好,試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員也可以在數(shù)據(jù)庫中自行寫入差值算法,以滿足更多試驗(yàn)的需求。
考慮到系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)較多,試驗(yàn)運(yùn)行過程中試驗(yàn)人員關(guān)心的試驗(yàn)現(xiàn)象較復(fù)雜,有必要對試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行集成管理,在上位機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件界面,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測,如圖7所示。界面設(shè)計(jì)簡單明了,包括撓度監(jiān)測曲線顯示區(qū)域和操作控制區(qū)域兩個(gè)主要部分。曲線顯示區(qū)域?qū)μ摂M試驗(yàn)和物理試驗(yàn)的曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示對比,操作控制區(qū)域主要可以進(jìn)行插值運(yùn)算的選擇以及系統(tǒng)測量狀態(tài)的檢測。當(dāng)系統(tǒng)測量出現(xiàn)設(shè)定的誤差超差時(shí),系統(tǒng)狀態(tài)欄顯示系統(tǒng)異常并閃爍以提醒試驗(yàn)工程師,試驗(yàn)工程師對試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行判斷是否暫停試驗(yàn)進(jìn)行檢查。
圖7 撓度監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,搭建了試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖8所示。試驗(yàn)平臺(tái)安裝完成后進(jìn)行了單點(diǎn)調(diào)試,然后逐級加載至最大載荷。采用本文設(shè)計(jì)的撓度監(jiān)測方法進(jìn)行監(jiān)測,取得了理想的效果。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開放性,系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、通用性、繼承性較強(qiáng)。在后續(xù)研究過程中,重點(diǎn)針對應(yīng)用過程出現(xiàn)的問題進(jìn)行系統(tǒng)升級。
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)撓度監(jiān)測系統(tǒng)是試驗(yàn)測控技術(shù)提升的顯著標(biāo)志之一。本文提出的基于插值的撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)有效解決了該測控問題,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性,在試驗(yàn)過程中對系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了改進(jìn)。研究結(jié)果表明,采用直觀的在線撓度監(jiān)測與仿真分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)對比,可以輔助試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員對試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,大大降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),提高了試驗(yàn)的安全性。
圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)