压力测量的钢铁股基于系统辨识方法

文摘

钢铁股都是预应力结构中的重要组成部分,但是他们会不可避免地随着时间降低性能。在现有的无损检测方法测量应力状态的钢链,超声导波方法已经受到了最多的关注,研究和最有可能被应用于实际工程。这项工作作为个人观点超声导波的传播系统,钢铁股和应力状态的变化可以得到相关参数系统辨识模型。有限元仿真和实验结果表明导波的传播特性明显的应力状态的影响。该指数由系统参数构造展品好单调线性应力水平变化,并从实验数据拟合线的斜率与仿真结果相似。传感器位置和加载路径对应力状态的影响有限,该指数。

1。介绍

预应力钢链广泛应用于土木工程建筑和大跨度桥梁中最重要的机械部件,作为主要的梁预应力桥梁、拱桥的背带,斜拉桥的电缆。处于高压力状态很长一段时间,钢铁股非常敏感环境侵蚀和结构蠕变和实际保留工作应力总是减少,导致结构开裂,偏转,和其他失败,最终降低了大跨度结构的承载力和耐久性。与混凝土或钢链通常保护鞘的高密度聚乙烯,用作防腐要求。然而,防腐性能增强,检查和监视钢铁股期间定期检查是很困难的。在职的压力的检测和评价钢铁股一直在土木工程领域的一个技术问题。相对成熟的技术测量钢铁股的压力集中在应力增量和应该采取的检测埋置在其早期阶段,很难适用于在职预应力和摘要桥梁1]。

使用超声导波(UGW)方法用于监视钢铁股的应力状态,近年来已经引起相当大的关注。导波的变化速度已经应用于监控压力与双轴加载板(2紧缩),螺栓(验证)3),rails (4- - - - - -6),钢链(7- - - - - -9),灌浆肌腱(10),和管道11]。官塘et al。12)进行早期的实验研究导波压力的影响在一个链。他们兴奋的导波作为一个整体在整个截面的链使用磁致伸缩传感器。陈等人。13)进行了一项早期研究基本的纵向制导模型(0,1)兴奋的个人电线内链。

大多数压力估计在实验和理论方面的研究都是基于acoustoelastic效果。群速度在低阶模式将减少钢铁股的压力的增加(14]。然而,进行acoustoelastic测量是困难的在这种情况下,因为acoustoelastic效果本来就低。一阶纵波的速度只有展览5%变化时轴向应力达到最大值(15]。acoustoelastic效应也呈现出非线性行为,尤其是条件下组装线和低压力16]。Di Scalea et al。17)提出了一个类似的描述,制定用于洗衣机(在相同的测试条件下16]。然而,一个良好的解释这些违规行为尚未提供。

部分频带的另一个现象会消失的导波频谱与拉应力增加讨论。官塘et al。12和吴et al。18,19)从他们的实验结果发现,纵向模式消失在某些乐队和频带的中心频率(陷波频率)是对数线性钢链时张力加载轴向力。这种现象也在拉盖尔et al。20.)当导波传播重读音节和非重读seven-wire链之间的比较。

semianalytical有限元(安全)方法最近被用来研究导波传播在seven-wire链作为一个整体。Treyssede和拉盖尔21)提出了第一个安全研究应用于seven-wire链。他们解释了切口频率发现官塘et al。12]。Nucera和Di Scalea [22]研究了应力对高次谐波的影响的一代的二次谐波激励主要是与压力。Schaal et al。23]和Treyssede [24]在相邻导线之间的能量泄漏检查强调链。采用安全作为一种有效的近似方法来处理一个常规波导。因此,巨大的计算资源的使用在一个极小的网格尺寸是可以避免的。

导波的特点无疑影响应力状态的钢链。然而,令人信服的解释这些现象仍然缺乏。在这个工作中,七芯钢链结构和桥梁中常用作为主题。考虑到导波的传播在钢铁股是一个单独的系统,这个系统的参数是被系统识别方法,提出了指数由模型参数之间的关系和构造应力水平通过有限元仿真和实验。最后,这项工作论述了传感器的位置和加载路径的影响。

2。系统识别模型和压力指数

固体弹性波的传播是一个弹性动态问题,和色散曲线可以通过合并来解决几何和力学边界条件的波动方程。为单一的高强度钢丝,圆柱波导的经典理论可以解释纵向波,弯曲,扭转波和其他模态曲线。然而,建立数学模型,导波传播链是困难的,因为接触耦合的多个钢丝和不存在解析解的问题。

当钢链内的导波传播被认为是一个单独的系统,应力状态的改变会导致系统性能的变化(图1)。压力可以评估通过分析系统的参数模型。测量导波是一种弱平稳过程,它可以描述时间序列的自回归模型。

的自回归模型 在哪里是样本的观察,是一个与零均值随机噪声, 回归系数。

当一个时间序列插入方程(1),结果可以表示如下:

然后,方程(2)可以写为矩阵形式 在哪里

残差的平方和作为判别函数:

找到最小二乘估计的必要条件是

用方程(5)(6),可以获得以下:

如果满秩(7),然后是存在的,并且它可以推导出如下:

的参数的最小二乘估计吗 。

根据最小二乘识别,最可能的未知模型参数的值获得当累积的和实际计算值之间的误差达到最小。

测量钢材的应力状态的过程链提取基于自回归模型的自回归参数系统模型作为特征向量,计算不同压力水平之间的距离。而模型应力水平70%f_pk(f_pk极限抗拉强度)被认为是引用,该指数吗我_月31被定义为某一应力水平之间的距离参考: 在哪里我一定的压力,参考模型中的参数,参数在一定的应力水平。

3所示。有限元模拟

3.1。有限元模型

有限元分析/显式是用来模拟超声导波传播的钢链。钢链的长度是0.52米。几何和材料参数如表所示1。

有限元模型需要八个节点在一个波长(25),最高500 kHz的频率被认为是本文准确捕捉这表明波动的影响 ,其中横波速度。单位的大小沿轴链是1毫米(略大于0.92毫米)和接触面积的最小尺寸是0.1毫米。模型是由1745623 8-node六面体的啮合后(图元素2)。除了网格的尺寸,时间积分步是另一个重要因素在控制有限元计算的准确性。的反应的结构可以被看作是一个组合模式的每个订单,和最低积分步骤应该能够解决最高的订单模式的组合结构响应模式。在解决的过程中瞬态动力学有限元法,时间积分步长一般小于1/20的最大频率,应该同时满足计算需求的稳定与所有空闲时间积分步。

正常接触钢丝链与“硬”模拟接触和切向接触模拟“惩罚”摩擦的摩擦系数公式0.6 [22]。链的一端完全是固定的,另一只释放出轴向位移,从而限制自由的另一个方向。

仿真的整个过程分为三个阶段:轴向张力施加,导波激励,导波传播。阶段1:张力一端施加的轴向位移,这是一个准静态加载过程。紧张的振幅曲线应尽可能光滑和应用时间应尽可能防止干扰信号。摘要光滑振幅曲线用于加载和加载时间是300年μ年代,加载幅值曲线如图3。阶段2:导波激发的中心进行中央钢丝。激励是一个三角脉冲的持续时间3μ年代,如图4。导波的能量产生的激励应该是更大的比预应力,以防止造成的导波信号激励载荷不被干扰信号淹没在预应力加载过程中生成的。第三阶段:施加激励脉冲后,弹性波的传播与697年钢铁股的模拟μ年代。

3.2。按照模型的参数提取

不同应力水平下接收到的波图所示5。

接收到的导波是用于建立后,按照模型均值和趋势项删除。下一个重要步骤是找到一个合适的模型来确保准确性。Akaike信息准则(AIC)假设当密度函数的参数模型k 参数表示为和最大似然函数表示 ,在哪里是一个未知参数和是它的最大似然估计,AIC的定义是 。第一项反映了模型的善良健康,而第二项代表了一种“惩罚”的模式有更多的变量。最后,最后的订单是称重的结果模型拟合和的影响变量的数量。

确定系统的最优顺序当AIC应用于处理数据在这个工作。三角脉冲图4激发和接收信号在20% - -70%f_pk作为系统的输出,按照模型得到的参数,见表2。

钢铁股张力的增加导致参数系统模型的显著变化和单调。为了验证有限元数据的识别模型的准确性,计算拟合程度根据te以下方程: 在哪里是残差平方和,原始数据和吗是由系统计算模型。

在图所示的波形3作为系统的输入,对应于70%f_pk是作为模型参数。原始数据和预测数据如图6(一),残差图所示6 (b)。的相对价值剩余误差小于2%,计算的拟合程度达到98.41% (10),这表明,按照模型可以获得一个合理的秩序和可靠的识别结果。

3.3。应力水平和指标之间的关系

按照模型的参数计算通过使用优化的顺序逐步加载过程。70%的压力水平下的模型参数f_pk作为参考和索引吗我_月31根据计算(9)。结果如图所示7。

压力指数评估我_月31显示一个明显的单调与拉伸应力的增加变化。考虑到结构的实际应力状态在实际运行期间,该数据不包括应力状态的20%以下f_pk。数据的线性拟合系数来判断 ,在哪里模型预测应力值,是实际的应力值,平均值是什么 。拟合线的斜率计算−5.85和明确的系数 ,这提供了一个清晰的线性规律。

以识别指数我_月31作为一个独立变量和链的张力作为因变量,功能性的应力水平之间的关系和索引我_月31是建立

4所示。实验

4.1。实验设备

实验系统包括反应墙,液压千斤顶,锚定装置,导波器、前置放大器、传感器(图8)。加载步骤由后台控制终端设置为10%的极限抗拉强度(f_pk)和整个加载过程从20%降至70%f_pk(52 kN - 182 kN)。每一步都是持续5分钟来激发并收集导波。实验进行八钢链。

钢铁股的材料和几何参数如表所示1。最后面临钢铁股的抛光,确保良好的钢铁股和传感器之间的联系。在这个实验中使用的传感器有一个宽带频率响应范围100 - 1000千赫,采样频率是2 MHz。

励磁系统的一系列单时期正弦脉冲频率与步骤= 50千赫,下列方程所示: 在哪里f₀= 100 kHz频率是原点,f= 1000 kHz截止频率,是一个长方形的窗口函数,这段时间,是零。

4.2。实验结果分析

输入激励和测量导波在不同压力水平数据所示9和10。励磁波形保持不变,但测量波形的振幅与应力水平的增加明显降低。这种情况可能是由于电线有更多接触表面压力增强。因此,更多的导波传播中来回电线,导致能量衰减很快。

使用上面提到的建模方法,确定最优模型的测量信号 。八链分别加载逐步在实验中,和相同的模型是用来计算参数 。平均值八线在70%f_pk作为参考价值,指数吗我_月31根据方程(计算9)。结果如图所示11,安装线的参数如表所示3。

该指数我_月31计算使用八个独立的加载过程有明显的单调变化随着应力水平的增加。使用线性适合,安装线的斜率−5.81和决定系数为0.9585。实验结果表明良好的一致性、再现性和稳定性。

以指数我_月31作为一个独立变量和应力水平作为因变量,建立它们之间的函数关系如下:

虽然安装线的山坡上有小波动,直线拟合所有实验数据都类似于有限元的结果。因此,系统识别模型显示明显的传播性能钢链,可以影响系统的参数对应的应力状态。

5。讨论

5.1。传感器放置的位置

传感器是否安排最后一节或侧表面,测量导波具有不同的模式,如纵波,波和弯曲,或不同模式间的能量比例变化。在相同的负载情况和激励输入下,指数我_月31最后计算出传感器和侧位置如图12。

在图12、索引我_月31显示了相同的单调变化,无论传感器位置。与侧表面上的传感器安排相比,绝对拟合线的斜率最后一节非常接近,但决定系数略大。因此,无论传感器被放置在或的钢链,该指数可以反映应力状态好线性法;然而,线性适合在前者有更好的效果。

5.2。压力加载路径的影响

预应力结构的承载力评价仅考虑应力状态在某种程度上,这与加载路径无关。因此,压力指数应避免压力加载路径的影响尽可能。该指数计算的加载和卸载阶段,如图所示13。拟合线的参数如表所示4。

图13显示,该指数我_月31在装载或卸载的过程中是一个单调的线性变化。比较斜率的变化在两个装卸周期,两个加载阶段的区别是1.3%,而两个卸载阶段是0.9%。相对而言,加载和卸载阶段之间的斜率变化显著,显示出减少9.9%和9.6%,分别主要是由于阅读错误造成的液压式装卸切换滞后。

6。结论

压力测量的钢铁股基于超声导波进行主要是利用圆柱形波导理论,但这两个波导之间的差别是显而易见的,比如电线和能量泄漏之间的接触条件接触面积,增强了困难在建立一个理论解决钢链。在这部作品中,导波的传播在钢铁股被认为是一个单独的系统,这个系统的参数提取使用系统辨识模型。这些参数用于提出一个压力指数。

导波的传播在钢铁链是由有限元模拟的方法,并采用时间序列的自回归模型来处理收集到的信号。应力状态和识别指数之间的函数关系,这提供了一个好的线性规则,由优化模型秩序和验证系统参数的准确性。

采用仿真分析中使用的建模方法来处理数据逐步加载实验八钢链。虽然安装线的斜率小波动,显示线安装所有实验数据共同接近仿真结果。

指数可以反映应力状态好线性法无论传感器被放置在或旁边的钢链;然而,线性适合在前有更好的效果。安装线的斜率不变条件下的装卸两个周期,这有助于消除加载路径的影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51408090和51408090);重庆,中国的自然科学基金(批准号cstc2019jcyj-msxmX0624);桥梁结构和材料与工程研究中心在山区,教育部,中国(QLGCZX-JJ2017-3)。

引用

1. j . j .他z . Li腾et al .,“绝对应力场测量使用Lcr波法在钢结构成员,”测量卷,122年,第687 - 679页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. f·史、j·e·麦克和s·j·李,“原位估计应用双轴加载与兰姆波,“《美国声学学会杂志》上,卷133,不。2、677 - 687年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. s . Chaki g . Corneloup i Lillamand et al .,“结合纵向和横向的原位控制超声波收紧螺栓、”压力容器技术杂志》上,卷129,不。3、383 - 390年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 莎娃,r·菲利普斯s Coccia et al .,“应力依赖超声导波在rails中,“交通研究记录,卷2159,不。1,第97 - 91页,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f·陈和p·d·威尔科克斯,”负载对导波传播的影响,”超声学卷,47号1 - 4、111 - 122年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. p . w . Loveday c . s .长,p·d·威尔科克斯“半解析有限元分析的弹性波导轴向载荷的影响,”有限元分析生物医学应用到工业的发展Intechopen,页439 - 454年,伦敦,英国,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. Chaki和g .交易所”,引导超声波无损监测的压力水平预应力钢链,”超声学卷,49号2、162 - 171年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. Chaki和g .交易所”,压力测量预应力钢链使用acoustoelastic效应,”实验力学卷,49号5,673 - 681年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. l . j .钱x Chen太阳et al .,“seven-wire链紧张的数值和实验识别使用超声导波的能量熵谱,”冲击和振动卷,2018篇文章ID 6905073, 11页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. m . d .胡子,m·j·s·劳和p·考利,“超声导波灌浆肌腱和螺栓的检查”土木工程材料》杂志上,15卷,不。3、212 - 218年,2003页。视图:谷歌学术搜索
11. r . j . Quiroga Villamizar Mejia, l·e·穆西卡德尔珈朵et al .,“引导超声波监测压力管道,”第七届ECCOMAS学报》专题会议上智能结构和材料(智能2015)蓬塔德尔加达,亚速尔群岛,葡萄牙,2015年6月。视图:谷歌学术搜索
12. h .官塘k·a·巴特尔斯和j·j·汉利”拉伸加载对弹性波传播的特性的影响在一个链,”《美国声学学会杂志》上,卷103,不。6,3370 - 3375年,1998页。视图:谷歌学术搜索
13. H.-L。陈,y。, g . Hota”测量棒的预应力力强调木材桥梁使用压力波,“材料评价卷,56号8,977 - 981年,1998页。视图:谷歌学术搜索
14. l . Su z . Liu b .吴et al .,“声弹性效应的实验研究超声导波在预应力钢绞线,”机械工程学报,46卷,不。2月22 - 27日,2010页。视图:谷歌学术搜索
15. j .钱y . a . n . g .金川和l . i .长春“张力计算基于导波模式的钢铁股分叉角,“重庆交通大学学报(自然科学),37卷,不。11、1 - 7,2018页。视图:谷歌学术搜索
16. g . a .垫圈、r·e·格林和r . b .小池塘,“速度常数为超声波应力测量预应力肌腱,”无损评价的研究》杂志上,14卷,不。2、81 - 94年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. f . l . Di Scalea·里佐,由“压力测量和缺陷检测在钢铁股引导压力波,“土木工程材料》杂志上,15卷,不。3、219 - 227年,2003页。视图:谷歌学术搜索
18. 吴,r·张x刘et al .,“一种张力测量的新方法基于等级的钢链纵向超声导波模式的频率特征,“机械工程学报,52卷,不。12日,9 - 15,2016页。视图:谷歌学术搜索
19. x, b, f .秦,C,他问汉,“观察超声导波传播行为在预应力多丝结构,”超声学卷,73年,第205 - 196页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. l .拉盖尔J.-C。艾梅,m . Brissaud“磁致伸缩回波脉冲装置使用纵向导波无损评价的圆柱形钢材料,”超声学,39卷,不。7,503 - 514年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. f . Treyssede和l .拉盖尔”调查多丝螺旋弹性模式传播的波导,”杂志的声音和振动,卷329,不。10日,1702 - 1716年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. c . Nucera和f . l . Di Scalea”监控负载水平非线性超声波,在多丝股”结构健康监测:国际期刊,10卷,不。6,617 - 629年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. Schaal c . s .比肖夫,l .高卢,“能源模型指导超声波传播的多丝电缆,”国际期刊的固体和结构卷,64 - 65年11月,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. f . Treyssede”调查interwire预应力电缆内部弹性导波能量转移,”《美国声学学会杂志》上,卷140,不。1,第509 - 498页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. d·达塔和n . n .基肖尔,”超声波传播的特点来确定缺陷的复合材料有限元模型的方法,”无损检测& E国际卷,29号4、213 - 223年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2019钱et al。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。