一种塔桅结构初期损伤识别方法和系统
阅读说明：本技术 一种塔桅结构初期损伤识别方法和系统 (Method and system for identifying initial damage of tower mast structure ) 是由 牛山 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种塔桅结构初期损伤识别方法及系统,塔桅结构安装后,在自由端安装变形传感器,测得塔桅结构初始变形；测得塔桅结构自由端受载时的变形,当外载荷方向改变时；当载荷方向被主动或被动改变时,以椭圆或圆形曲线拟合各点,形成闭合曲线；建立三维笛卡尔直角坐标系oxyz,根据拟合曲线和曲面情况判断塔桅结构初期损伤类型、损伤方位、损伤具体位置和损伤程度。本发明最少仅采用单个变形传感器即可完成对塔桅结构健康状态的完整监测,数据获取便捷,数据量小,便于自动识别,且不但可在发生损伤的初期判定损伤类型,还可检测出各种塔桅结构的初期损伤方位和损伤位置,还可定量判断出损伤程度。(The invention provides a method and a system for identifying initial damage of a tower mast structure, wherein after the tower mast structure is installed, a deformation sensor is installed at a free end to measure the initial deformation of the tower mast structure; measuring the deformation of the free end of the tower mast structure when loaded, and when the direction of the external load is changed; when the load direction is actively or passively changed, fitting each point by an ellipse or a circular curve to form a closed curve; and establishing a three-dimensional Cartesian rectangular coordinate system oxyz, and judging the initial damage type, the damage direction, the specific damage position and the damage degree of the tower mast structure according to the fitting curve and the curved surface condition. The invention can complete the monitoring of the health state of the tower mast structure by adopting only a single deformation sensor at least, has convenient data acquisition, small data volume and convenient automatic identification, can judge the damage type at the initial stage of damage, can detect the initial damage position and damage position of various tower mast structures, and can quantitatively judge the damage degree.)
技术领域
本发明涉及一种塔桅结构初期损伤识别方法和系统，属于于结构健康监测技术领域。
背景技术
塔桅结构在现代超高层建筑和风力发电机、起重机等机械设备中广泛存在，如高耸烟筒、风力发电机塔筒和塔吊塔身等。由于通常受风载荷和工作载荷的复杂作用，受到外界环境的腐蚀作用，以及受制造缺陷、安装误差和人为违规操作等多种不确定性因素的影响，塔桅结构容易出现疲劳断裂、腐蚀缺损及连接件失效等损伤。由于塔桅结构在设施或机械装备中通常作为主要承载结构，一旦损伤发展到一定程度，往往导致严重的生产事故或倒塌事故，造成重大人员和财产损失，因此实现对各类塔桅结构的准确可靠的健康监测尤为重要。
对风力发电机塔筒结构损伤监测以往采用的监测加速度等振动信号或塔筒晃动频率的方法，精度较差，要实现基于振动信号的损伤监测仍有诸多理论和技术问题待解决。对塔吊塔身这种塔桅结构的健康监测的相关专利中，已有采用刚度仪等测量塔身位移的方法，但如201310141801.5、201410261865.3、201410261861.5和201410261694.4均仅限于格构结构的塔吊标准节的螺栓预紧力的监测，且四次重合的圈状轨迹和内敛花瓣型的两个圈状轨迹的识别精度在实际中很难保证，且数据清洗等实现过程较复杂，均不利于工程应用和保证识别的准确可靠性。基于倾角或位移传感器数据的风力发电机塔筒损伤监测，多采用某一特征量超过设定的某一阈值时进行预警的方法，因此只能判断塔筒的整体状态，实际应用中基本无法精确识别塔筒的损伤状态，对于通常高度在百米级的塔桅结构无疑极大增加了隐患排查的难度和成本。基于SCADA监控系统的风力发电机塔筒结构监测，不但数据量大，数据筛选和处理仍然存在诸多难题，且目前也难以做到对塔筒损伤状态的精确识别。
发明内容
本发明目的是提供一种塔桅结构初期损伤识别方法及系统，不但可在发生损伤的初期判定损伤类型，还可检测出塔桅结构的损伤方位和损伤位置，还可定量判断出损伤程度。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
（1）塔桅结构安装后，在自由端安装变形传感器，在塔桅结构基础水平面的任一平行平面内，选定任意两正交的方向dx与dy，建立二维笛卡尔直角坐标系Odxdy；
（2）塔桅结构未承受重力之外其它荷载或所受外载荷相互抵消从而可忽略时，测得塔桅结构初始变形，并求解变形在方向dx和dy方向的投影值Dx0与Dy0；
（3）在塔桅结构未有结构损伤的情况下，选定塔桅结构受到的某一确定大小的外载荷，该载荷等效力矢量或等效力矩矢量位于塔桅结构基础水平面的任一平行平面A内，通过安装在塔桅结构自由端的变形传感器，测得塔桅结构自由端受载时的变形，并求解变形在方向dx和dy方向的投影值，分别记为Dx与Dy；
（4）在一定误差范围内，选择相同大小的被动或主动外载荷，当外载荷方向改变时，在仍然位于平面A内的等效力矢量或等效倾翻力矩矢量的外载荷作用下，分别在Odxdy坐标系四个象限中（含坐标轴），共测量至少m个(Dx,Dy)点；
（5）对各点坐标排除选定等效载荷之外载荷产生的包括步骤2测得的初始变形在内的干扰变形的影响后，以圆形曲线拟合各点，形成闭合曲线，圆弧半径记作R；
（6）在需要对塔桅结构损伤状态进行监测的情况下，选择相同大小的被动或主动外载荷，当载荷方向被主动或被动改变时，在等效力矢量或倾翻力矩矢量仍然位于平面A内的塔桅结构外载作用下，分别在Odxdy坐标系四个象限中，共测量至少n个(Dx,Dy)点；
（7）对各点坐标排除选定等效载荷之外载荷产生的包括步骤2测得的初始变形在内的干扰变形的影响后，以椭圆或圆形曲线拟合各点，形成闭合曲线，椭圆曲线半长轴记作Ra，圆弧半径记作R；
（8）建立三维笛卡尔直角坐标系oxyz，以损伤程度为x向坐标，以Ra为y向坐标，以损伤高度与塔桅结构高度的比值为z坐标，通过计算或测量得到至少两种损伤程度和高度组合下的Ra值，并在坐标系oxyz中做出对应点，通过这些点拟合曲面H，并使H包含直线y=R，z=1；
（9）根据拟合曲线和曲面情况判断塔桅结构初期损伤类型、损伤方位、损伤具体位置和损伤程度。
优选的，所述步骤4中的m和步骤6中n应足够大以使每个象限中曲线段拟合为椭圆或圆弧。
优选的，所述步骤5和7中排除干扰变形的具体方法为，对于各点坐标dx和dy方向投影值Dx与Dy，分别减去塔桅结构初始变形Dx0与Dy0等选定等效载荷之外载荷产生的干扰变形后，得到新的坐标点。
优选的，所述步骤9中，拟合曲线与损伤类型和方位具体关系如下：
对于需要对塔桅结构损伤状态进行监测的情况，若在一定误差范围内Ra=R，则塔桅结构未有损伤。
若在一定误差范围内拟合曲线呈现为椭圆曲线Ra>R，则塔桅结构存在结构材料腐蚀或剥落损伤。
若在一定误差范围内拟合曲线呈现为椭圆（Ra>R）和圆弧组合连接，则塔桅结构存在裂缝缺陷或连接件松动缺陷。
若在一定误差范围内拟合曲线呈现为椭圆曲线Ra>R，则塔桅结构损伤方位位于椭圆半长轴方向上。
若在一定误差范围内拟合曲线呈现为椭圆（Ra>R）和圆弧组合连接，则塔桅结构损伤方位位于椭圆半长轴方向上，且位于圆弧一侧。
优选的，所述步骤9中，拟合曲线和曲面与损伤具体位置和程度的具体关系如下：
按得到的Ra值做平面y=Ra，并得到其与曲面H的截交曲线L。
若可初步判定损伤位置z，则损伤程度可由曲线L上z处点的x坐标值确定。
若可初步判定损伤程度x，则损伤位置可由曲线L上x处点的z坐标值确定。
一种塔桅结构初期损伤识别的监测系统，主要包括载荷感知模块、变形传感器、数据处理与存储模块和结果显示与预警模块；
所述载荷感知模块主要配置为：载荷感知模块包含风力、风向传感器，力或力矩传感器，用于监测塔桅结构受到的风力、风向和工作载荷；
所述变形传感模块主要配置为：选择变形传感器固定在塔桅结构自由端，初始安装后在塔桅无工作载荷或外载平衡的情况下测量塔桅结构自由端变形，初始安装或投入使用后在塔桅结构未有结构损伤的情况下测量塔桅结构自由端变形，在塔桅结构使用或服役过程中实时监测塔桅结构自由端变形；
数据处理与存储模块主要配置为：D/A转换子模块完成对载荷感知模块和位移传感器模块采集信号的必要的模数转换；控制主机数据清洗程序对载荷感知模块和变形传感模块的数据进行清洗去噪；载荷计算子模块计算风载荷和总的等效载荷矢量；根据等效载荷大小和等效力矢量或倾翻力矩矢量方向，载荷分类子模块对变形传感模块测量数据分类；Ra计算子模块完成各种工况下的Ra值或R值的计算；基于本发明提供的新型塔桅结构初期损伤识别方法，损伤判别子模块完成塔桅结构初期损伤识别；控制主机完成数据必要编码并以硬盘形式存储；
结果显示与预警模块被主要配置为：通过显示程序，在显示器或显示屏实时显示塔桅结构初期损伤识别结果和识别时变曲线，包含损伤类型、损伤方位、损伤位置和损伤程度，一旦损伤得到识别，控制主机通过预警程序经预警终端发出损伤预警。
本发明的优点在于：本发明公开了一种新型塔桅结构初期损伤识别方法和系统，配合常见塔桅结构及设施的已有的监测系统，最少仅采用单个变形传感器即可完成对塔桅结构健康状态的完整监测，数据获取便捷，数据量小，便于自动识别，且不但可在发生损伤的初期判定损伤类型，还可检测出塔桅结构的初期损伤方位和损伤位置，还可定量判断出损伤程度，相较于以往方法，能够有效提供塔桅结构初期损伤的完整信息，且适用于各类型塔桅结构。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为实施例1所述新型塔桅结构初期损伤识别方法中二维笛卡尔直角坐标系Odxdy与拟合曲线示意图；
图2为实施例1所述新型塔桅结构初期损伤识别方法中三维笛卡尔直角坐标系oxyz与曲面H示意图；
图3为实施例2所述的一种运用本发明提供的方法识别塔吊塔身初期损伤的监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施1
如图1和图2所示，本实施例1提供了一种新型塔桅结构初期损伤识别方法，包含如下步骤：
在风力发电机塔筒基础水平面内，选定正东方向为dx方向，正北方向为dy方向。
建立二维笛卡尔直角坐标系Odxdy。
风力发电机结构安装后，在无风状态下，通过安装在塔筒自由端的位移传感器测得塔筒的初始位移，并求解位移在方向dx和dy方向的投影值。
在塔筒结构初始安装并投入使用后，在塔筒结构未有结构损伤的情况下，根据风力级别选定塔筒受到的一确定大小的风载荷，风载荷等效力矢量位于平行于风力发电机基础水平面且过塔筒轴线截面形心的平面A内，通过安装在塔筒结构自由端的位移传感器，测得塔筒结构自由端受载时的位移，并求解位移在方向dx和dy方向的投影值，分别记为Dx与Dy。
根据选定的塔筒受到的确定大小的风载荷，当风向改变，塔筒所受风载荷方向被动改变时，在等效力矢量仍然位于平面A内的风载荷作用下，分别在Odxdy坐标系四个象限中（含坐标轴）各测量至少1点(Dx,Dy)，对各点坐标排除塔筒结构初始安装倾斜度和风力发电机叶片受到的风载荷对塔筒自由端位移的影响后，以圆形曲线拟合各点，形成闭合曲线，圆弧半径记作R。
在需要对塔筒损伤状态进行监测的情况1下，在一定误差范围内选择相同风力级别下的风载荷，当风向改变时，在等效力矢量或倾翻力矩矢量仍然位于平面A内的风载荷作用下，分别在Odxdy坐标系四个象限中（含坐标轴）各测量至少1点(Dx,Dy)。对各点坐标排除塔筒结构初始安装倾斜度和风力发电机叶片受到的风载荷对塔筒自由端位移的影响后，以椭圆或圆形曲线拟合各点，形成闭合曲线BNFM，椭圆曲线半长轴记作Ra，圆弧半径记作R。
在需要对塔筒损伤状态进行监测的情况2下，在一定误差范围内选择相同风力级别下的风载荷，当风向改变时，在等效力矢量或倾翻力矩矢量仍然位于平面A内的外载荷作用下，分别在Odxdy坐标系四个象限中（含坐标轴）各测量至少1点(Dx,Dy)。对各点坐标排除塔筒结构初始安装倾斜度和风力发电机叶片受到的风载荷对塔筒自由端位移的影响后，以椭圆曲线拟合各点，形成闭合曲线BCDE，椭圆曲线半长轴记作Ra。
建立三维笛卡尔直角坐标系oxyz，以损伤程度为x向坐标，以Ra为y向坐标，以损伤高度与塔桅结构高度的比值为z坐标，利用上述步骤通过位移传感器测量或计算得到两种损伤程度和高度组合下的Ra值，并在坐标系oxyz中做出对应两点G、I。过此两点和直线y=R,z=1，拟合曲面H：y=(1-z)(sx+t-R)+R。
在一定误差范围内，若情况1或情况2中Ra=R，则情况1或情况2中塔筒未有损伤。
在一定误差范围内，若情况2中Ra>R，则塔桅结构存在结构材料腐蚀或剥落损伤。
在一定误差范围内，若情况1拟合曲线呈现为椭圆（Ra>R）和圆弧组合连接，则塔筒结构存在裂缝缺陷或法兰盘连接件松动缺陷。
在一定误差范围内，若情况2中Ra>R，则塔筒损伤方位位于椭圆半长轴方向上。
在一定误差范围内，若情况1拟合曲线呈现为椭圆（Ra>R）和圆弧组合连接，则塔筒结构损伤方位位于椭圆半长轴方向上，且位于圆弧一侧。
按得到的Ra值做平面y=Ra，并得到其与曲面H的截交曲线L。
若可初步判定损伤位置z，则损伤程度可由曲线L上z处点的x坐标值确定。
若可初步判定损伤程度x，则损伤位置可由曲线L上x处点的z坐标值确定。
实施例2
如图3所示，本实施例2提供了一种运用本发明提供的方法识别典型塔桅结构塔吊塔身初期损伤的监测系统，主要包括载荷感知模块1、变形传感器、数据处理与存储模块2和结果显示与预警模块3。
所述载荷感知模块1被主要配置为：
载荷感知模块包含精度为±3°的风向仪和精度为±0.3m/s风力传感器，重量传感器和幅度传感器组成的力矩传感器，监测起重机塔身结构受到的风力、风向和工作载荷。
所述变形传感模块被主要配置为：
选择位移传感器，固定在塔吊塔身结构自由端，初始安装后在塔身无起重量空载的情况下测量塔身自由端位移，初始安装或投入使用后在塔身未有结构损伤的情况下测量塔身自由端位移，在塔吊使用过程中实时监测塔身自由端位移。
数据处理与存储模块被主要配置为：
D/A转换子模块完成对载荷感知模块和位移传感器采集信号必要的模数转换；控制主机数据清洗程序完成对载荷感知模块和位移传感器的数据进行清洗去噪；载荷计算子模块计算风载荷与工作起重力矩总的等效载荷矢量；载荷分类子模块根据等效载荷大小和等效倾翻力矩矢量方向，对位移传感器测量数据进行分类；Ra计算子模块根据本发明提供的新型塔桅结构初期损伤识别方法完成各种工况下的Ra值计算；损伤判别子模块基于本发明提供的新型塔桅结构初期损伤识别方法完成塔桅结构初期损伤识别；控制主机完成数据必要编码并以硬盘形式存储。
结果显示与预警模块被主要配置为：
通过界面显示程序，在控制主机显示器和塔机司机室8寸显示屏实时显示塔桅结构初期损伤识别结果和识别时变曲线，包含损伤类型、损伤方位、损伤位置和损伤程度，一旦损伤得到识别，控制主机通过预警程序经人声报警器向控制主机操作人员发出损伤声音预警，经蜂鸣器向塔机司机发出损伤预警，并通过控制主机显示器和塔机司机室8寸显示屏幕红色显示损伤项目。
以上所述实施例1和实施例2仅表达了本发明的可行实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对本领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下作出的变型和改进，均属于本发明的保护范围。
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