趙 雷

(安徽工貿職業(yè)技術學院 機械與汽車工程系，安徽 淮南 232007)

隨著大型工程機械的廣泛應用，其結構應力載荷特征分析受到極大關注。通過分析大型工程機械結構的應力參數和沖擊載荷，能夠實現對其載荷和工況的有效監(jiān)測，保障大型工程機械的良好工況，提高其運行水平的穩(wěn)定可靠性。研究大型工程機械結構的沖擊載荷準確辨識方法，對優(yōu)化其結構和性能具有重要意義。為此，沖擊載荷辨識模型研究成為相關工程領域研究的熱點[1]。

對大型工程機械結構沖擊載荷辨識是建立在對其恢復力-變形特征分析基礎上，結合預壓彈簧自恢復耗能特征分析，在初始狀態(tài)下進行支撐剛度特征分布式融合處理，提高對沖擊載荷的辨識能力[2]。傳統(tǒng)方法中，對大型工程機械結構沖擊載荷辨識方法主要有基于稀疏正則化理論的工程機械結構沖擊載荷辨識方法、基于自恢復階段性特征分析的工程機械結構沖擊載荷辨識方法以及基于模糊度參數辨識的沖擊載荷辨識方法等[3-5]。上述方法基本都是在構造大型工程機械結構受力參量的估計模型的基礎上建立沖擊載荷力學方程，從而實現沖擊載荷辨識。但上述方法的輸出穩(wěn)定性和可靠性較差。

針對上述問題，本文提出基于貝葉斯壓縮感知的大型工程機械結構沖擊載荷辨識方法。

1 大型工程機械結構沖擊載荷結構參數分析

1.1 沖擊載荷結構模型

為了實現大型工程機械結構沖擊載荷辨識，首先構建沖擊載荷結構模型，采用力學傳感器對沖擊載荷傳感信息進行識別[6]，在柵格單元中實現對大型工程機械結構的力學數據采集，如圖1所示。

圖1 大型工程機械結構的力學信息采集模型

圖1中，構造大型工程機械結構受力參量的估計模型，采用豎向撓度、加速度、索力等傳感器，實現大型工程機械結構在五軸坐標系中的力學特征分析[7]，測試大型機械結構的應變、豎向撓度等參數，得到應變模量T和豎向撓度V分別為：

(1)

(2)

基于結構有限元模型分析的方法，在零勢能面構建大型工程機械結構受力參量的估計模型為：

(3)

采用多元線性回歸模型構建沖擊載荷參數辨識模型，得到沖擊載荷力學方程：

(4)

(5)

結語上述過程，可以得到大型工程機械結構的沖擊載荷結構模型，采用動應變及屈服響應監(jiān)測的方法對型工程機械結構的沖擊載荷實現應力特征檢測[8]。

1.2 機械結構的沖擊載荷特征檢測

采用動應變及屈服響應監(jiān)測的方法對大型工程機械結構的沖擊載荷實現應力特征檢測，首先采用經驗模態(tài)分解法，得到沖擊載荷的實測分量為：

(6)

式中：?表示經驗模態(tài)參數。采用斷裂行為評估模型實現對大型工程機械結構沖擊載荷的力學參數評估，得到尺寸參數的優(yōu)化估計結果為：

(7)

(8)

取sinθp=θp，cosθp=1，測試內外管剛度Ki與Ko，在支撐面發(fā)生變形時，分析預壓力及摩擦裝置的沖擊載荷，結合尺寸參數的優(yōu)化估計結果，得到機械結構的沖擊載荷特征檢測模型為：

(9)

根據上述分析，提取工程機械結構沖擊載荷的結構特征信息和動態(tài)預警閾值[9]，得到工程機械結構的沖擊力與位移的變化，如圖2所示。

圖2 工程機械結構的沖擊力與位移的變化

2 大型工程機械結構沖擊載荷辨識優(yōu)化

2.1 屈服剛度估計和辨識

結合上述所得到的大型工程機械結構沖擊載荷結構參數分析結果，建立沖擊載荷屈服響應方程，從而分析吸能元件的屈服剛度[10]，首先結合沖擊載荷特征檢測模型，建立加速度等效分析模型為：

(10)

假設總體的壓縮距離一致的條件下，得到工程機械結構的沖擊力的等效分布關系為：

(11)

在理想彈塑性工況下，得到屈服載荷為：

(12)

式中：σij*表示屈服載荷和屈服剛度的比例關系。采用三自由度彈簧應力感知的方法[11]，得到貝葉斯感知模型下工程機械結構的沖擊應力與相應的應變關系式為：

(13)

在材料屈服應力的作用下，得到屈服剛度估計函數，其定義為：

(14)

在屈服剛度估計達到彈性臨界載荷之前，采用曲率修正的方法，得到屈服剛度辨識模型為：

(15)

2.2 工程機械結構沖擊載荷參數估計及辨識

根據結構屈曲參數響應和空間桿系結構的非線性應力特征分布，實現對大型工程機械結構沖擊載荷的動態(tài)壓縮感知，得到結構的塑性臨界載荷為：

(16)

式中：

(17)

基于結構屈曲分析的方法，建立工程機械結構沖擊載荷的貝葉斯壓縮感知模型，得到湍流方程滿足：

(18)

忽略已有桿件進入屈服的擾動，結合湍流方程結果，得到大型工程機械結構彈塑性屈曲行為參數滿足：

Gb+ρui=0。

(19)

根據結構屈曲參數響應和空間桿系結構的非線性應力特征分布，實現對沖擊載荷的動態(tài)壓縮感知，從而得到沖擊載荷辨識優(yōu)化輸出函數為：

(20)

式中：

(21)

式中：k表示沖擊載荷的動態(tài)感知特征值[13-15]。綜上，結合大型機械結構的塑性臨界載荷辨識結果，實現對大型機械結構的工況監(jiān)測和實時狀態(tài)評估。

3 仿真測試分析

為驗證基于貝葉斯壓縮感知的大型工程機械結構沖擊載荷辨識方法的實際應用性能，設計如下仿真試驗加以證明。

實驗參數設置情況為：結構屈曲應力響應為0.35，阻尼參數為15 kN， 載荷子步數為120，軸力最大值為1 600 kN。傳感節(jié)點感知參數如表1所示。

表1 大型機械結構的傳感節(jié)點感知參數

在上述參數設置的基礎上，以辨識結果準確性和辨識過程時效性為檢驗指標，對本文方法的性能進行驗證。為避免實驗結果的單一性，將傳統(tǒng)的基于稀疏正則化理論的工程機械結構沖擊載荷辨識方法(傳統(tǒng)方法)作為對比，與本文方法共同完成性能驗證。

為驗證不同方法辨識結果的優(yōu)劣，以辨識結果準確性為測試指標，得到對比結果如圖3所示，本文方法能有效實現大型機械結構的沖擊載荷參數辨識，其辨識出的載荷曲線與真實曲線擬合度較高，說明本文方法有效提高了大型機械結構的載荷辨識能力。

圖3 載荷參數測試曲線

為進一步驗證不同方法的應用效果，以辨識過程耗時為指標檢驗不同方法的辨識過程時效性，具體實驗對比結果如圖4所示。

圖4 不同方法辨識過程耗時對比結果

分析實驗數據可知，隨著測試次數的增加，不同方法的辨識過程耗時也不斷變化。但是相比于傳統(tǒng)方法，本文方法的辨識過程耗時明顯更低一些，均保持在10 s以下。

綜上所述，本文設計的基于貝葉斯壓縮感知的大型工程機械結構沖擊載荷辨識方法具有辨識結果準確性和辨識過程時效性高的應用優(yōu)勢。

4 結語

本文提出基于貝葉斯壓縮感知的大型工程機械結構沖擊載荷辨識方法，采用力學傳感器實行對大型工程機械結構的沖擊載荷信息識別，建立沖擊載荷辨識的屈服剛度估計模型，根據參數辨識結果實現對沖擊載荷的辨識。經實驗研究得知，該方法的辨識結果準確性和辨識過程時效性均較高。