【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及推進系統管道健康監測，具體涉及一種管道實時動態健康監測方法。
技術介紹
1、近年來，航天器姿軌控推進動力系統突破了各項關鍵技術，并且朝著小型化、快響應、高性能的方向發展。航天推進系統為航天器提供控制力和推力等以完成軌道機動、姿態控制、交會對接的任務。航天器推進系統結構復雜，其中推進劑管道承擔著連接各部件并輸送推進劑的重要工作，卻時常在工作過程中由于泵閥操作或外界激勵受到巨大的振動和沖擊載荷，導致劇烈震蕩而發生破壞，嚴重影響了推進系統的安全性和工作機能。
2、由于航天器特殊的工作環境，針對其管道結構的健康監測存在諸多困難，如航天器長期處于太空復雜且不確定性的環境中，其部件故障概率大大增加；潛在的故障源多且危害性大；航天產品數量有限導致監測次數有限，故障診斷的先驗信息少；航天器上的資源和能夠進行人工干預的程度有限，考慮到航天器的工作要求，能夠配置的傳感器數量有限，且部分侵入式傳感器會影響系統工作，這對航天器推進系統的健康監測帶來了極大的挑戰。
3、實際情況中，推進系統管道承受的載荷十分復雜，且由于管道和輸送流體間的相互作用導致產生耦合，相互干擾。如何保證在監測精度不受復雜載荷影響下，基于有限數量的非侵入式傳感器，實現管道工作狀態下的健康監測，是本領域的關鍵技術難題。
4、因此，需要提供一種管道實時動態健康監測方法以解決上述問題。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種管道實時動態健康監測方法，采用逆有限元方法和應變模態差分方法，使用少量非
2、本專利技術的一種管道實時動態健康監測方法采用如下技術方案，包括：
3、基于逆有限元方法構建管道結構的逆有限元模型；
4、獲取逆有限元模型中逆梁單元的表面應變；基于逆有限元方法導出逆有限元模型中逆梁單元的理論應變和理論曲率，根據逆梁單元的理論應變和表面應變獲取每個逆梁單元的實測應變和實測曲率；
5、根據每個逆梁單元的實測應變、實測曲率、理論應變和理論曲率，構建逆梁單元的加權最小二乘誤差泛函，將加權最小二乘誤差泛函進行極小化獲得逆梁單元的逆有限元方程；
6、根據逆梁單元的局部坐標系和管道結構的逆有限元模型的全局坐標系的轉換矩陣，將逆有限元方程轉換至全局坐標系下并獲取管道結構的整體逆有限元方程；對管道結構的整體逆有限元方程進行求解得到逆有限元模型的全局位移場；
7、基于全局位移場并利用模態疊加法獲取管道結構的應變模態，獲取各階應變模態的差分曲線；根據差分曲線的有效極值點和有效零值點構建損傷位置指標，根據差分曲線中的突變位置和損傷位置指標獲取損傷位置。
8、優選地，基于逆有限元方法構建管道結構的逆有限元模型的步驟為：
9、基于euler-bernoulli梁理論構建逆梁單元；
10、利用逆梁單元進行管道結構的離散，并構建管道結構的逆有限元模型。
11、優選地，獲取逆有限元模型的表面應變的步驟為：在管道結構的逆有限元模型的上表面、下表面對稱布置應變傳感器，通過應變傳感器獲取管道結構的逆有限元模型的表面應變。
12、優選地，每個逆梁單元的實測應變的表達式為：
13、
14、式中，表示逆有限元模型中逆梁單元上的第個測點的實測應變；表示逆有限元模型中逆梁單元上表面的第個測點的表面應變；表示逆有限元模型中逆梁單元下表面的第個測點的表面應變。
15、優選地，每個逆梁單元的實測曲率的表達式為：
16、
17、式中，表示逆有限元模型中逆梁單元上的第個測點的實測曲率；表示逆有限元模型中逆梁單元上表面的第個測點的表面應變；表示逆有限元模型中逆梁單元下表面的第個測點的表面應變；表示管道結構的外徑。
18、優選地，逆梁單元的加權最小二乘誤差泛函的表達式為：
19、
20、式中，表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的實測應變和理論應變的加權最小二乘誤差泛函；表示正則化應變加權系數；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的理論應變；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的實測應變；表示正則化曲率加權系數；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的理論曲率；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的實測曲率。
21、優選地，逆梁單元的逆有限元方程的表達式為：
22、
23、式中，表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的逆有限元方程的解；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的偽剛度矩陣；表示逆有限元模型中第 i個逆梁單元的偽載荷矩陣。
24、優選地，將每個逆梁單元的逆有限元方程轉換至全局坐標系下，并按照標準有限元程序將逆有限元方程組裝為管道結構的整體逆有限元方程，結合管道結構的約束方式，對整體逆有限元方程的偽剛度矩陣和偽載荷矩陣進行刪行刪列處理得到目標逆有限元方程，對目標逆有限元方程進行一次求逆并反演得到管道結構的逆有限元模型的全局位移場。
25、優選地，獲取各階應變模態的差分曲線的步驟為：
26、對應變模態函數進行泰勒展開，并忽略三次冪項和更高階冪項得到等間距差分格式；
27、根據等間距差分格式進行應變模態的差分曲線的擬合。
28、優選地，損傷指標的表達式為：
29、
30、式中，表示應變模態差分曲線中第s個有效零值點處的損傷位置指標；表示第s個有效零值點右側的有效極值點的極值；表示第s個有效零值點左側的有效極值點的極值；表示第s個有效零值點右側的有效極值點的x坐標；表示第s個有效零值點左側的有效極值點的x坐標；表示差分曲線中第個有效極值點的有效極值；代表管道結構的跨度長；t表示有效極值點的個數。
31、本專利技術的有益效果是：
32、通過獲取管道結構的表面應變，以降低對管道工作狀態的影響，且在使用逆有限元方法重構管道結構狀態時，僅利用有限測點的應變數據得到管道測量的應變模態，且逆有限元方法在進行管道結構的形狀傳感時具有足夠的通用性，適用于具有任何邊界條件的管道結構，并且計算效率高、速度快、可實時實現，進一步根據實時反演的結構狀態，基于損傷應變模態差分原理構建的損傷指標，僅使用損傷后的應變模態數據即可進行管道的損傷檢測，從而提高管道健康監測的精度。
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1.一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，基于逆有限元方法構建管道結構的逆有限元模型的步驟為：
3.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，獲取逆有限元模型的表面應變的步驟為：在管道結構的逆有限元模型的上表面、下表面對稱布置應變傳感器，通過應變傳感器獲取管道結構的逆有限元模型的表面應變。
4.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，每個逆梁單元的實測應變的表達式為：
5.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，每個逆梁單元的實測曲率的表達式為：
6.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，逆梁單元的加權最小二乘誤差泛函的表達式為：
7.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，逆梁單元的逆有限元方程的表達式為：
8.根據權利要求7所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，將每個逆梁單元的逆有限元方程轉換至全局
9.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，獲取各階應變模態的差分曲線的步驟為：
10.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，損傷指標的表達式為：
...【技術特征摘要】
1.一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，基于逆有限元方法構建管道結構的逆有限元模型的步驟為：
3.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，獲取逆有限元模型的表面應變的步驟為：在管道結構的逆有限元模型的上表面、下表面對稱布置應變傳感器，通過應變傳感器獲取管道結構的逆有限元模型的表面應變。
4.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，每個逆梁單元的實測應變的表達式為：
5.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，每個逆梁單元的實測曲率的表達式為：
6.根據權利要求1所述的一種管道實時動態健康監測方法，其特征在于，逆梁...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃河，程宏川，梅夢梅，吳子燕，楊海峰，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：
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