（机械设计及理论专业论文）水泥混凝土泵车振动试验与疲劳寿命分析.pdf

摘要 本论文以某公司生产的水泥混凝土泵车为研究对象，采用t b s - - 2 0 0 0 应变测试系 统对该泵车进行了动、静态应力测试及固有频率测试。利用虚拟仪器的典型开发平台 l a b v i e w 针对t b s - - 2 0 0 0 应变测试系统开发了数据处理软件；利用该数据处理软件 对测试所得的数据进行了动、静应力分析和固有频率分析。在进行静应力分析中，计 算出该型泵车所测工况所有测点的静应力，通过对所有数据综合分析之后，得出该型 泵车在工作时不同工况的静应力危险部位；在进行动应力分析过程中，分别求出不同 工况的工作频率，并与该泵车液压系统测试实验分析结果进行比较，二者结果比较吻 合；对泵车进行固有频率分析的主要目的是求得该型泵车的一阶固有频率，以寻求该 泵车振动较大的原因。在动应力分析的基础上，利用美国m s c 公司的n s o f t 软件对该 型泵车进行了疲劳寿命分析，计算出泵车上所有测点的疲劳寿命，综合分析后得出该 型泵车的疲劳寿命危险点。结合动应力分析结果、固有频率分析结果及疲劳寿命分析 结果可以看出：系统的激扰频率与结构一阶固有频率比较一致以及液压系统的冲击是 引起泵车工作时振动的主要原因。通过分析泵车各个工况的工作频率与其固有频率的 关系，推荐该型泵车在现有的性能参数下，取流量为1 5 0 1 m i n 进行工作比较理想。 关键词：水泥混凝土泵车虚拟仪器数据处理疲劳寿命 a b s t r a e t i nt h i sp a p e r , a p u m p a u t op i p i n gc o n c r e t em a d eb ys o m ec o m p a n yi su s e da sa n o b j e c to fs t u d y , a n d t b s 一2 0 0 0s t r a i nm e a s u r i n gs y s t e mi su s e dt om e l s h l et h ep u m p i nt h ew a yo f c l y n a m i es t r e s s ，s t a t i s t i cs t r e s sa n dp r o p e rf r e q u e n c y d a t ap r o c e s s i n g s o c a r ei sd e s i g n e df o rt b s - 2 0 0 0s t r a i nm e a s u r i n gs y s t e mi nt h ec l a s s i c a lv i r t u a l i n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ；i ti s a p p l i e dt op r o c e s s t h ed a t aw h i c ha l e a c q u i r e di nt h ew a yo fd y n a m i cs t r e s sa n a l y s i s ，s t a t i s t i cs t r e s sa n a l y s i sa n dp r o p e r f r e q u e n c ya n a l y s i s t h es t a t i s t i cs t r e s s e so f a r eg a i n e dd u r i n gt h ec o u r s eo fs t a t i s t i c s t r e s sa n a l y s i s s t a t i s t i cs t r e s s d a n g e r o u sp o s i t i o n so fb u m po nd i f f e r e n tw o r k i n g s i t u a t i o n sa r eg o tb yg e n e r a l l ya n a l y z i n ga l lo ft h ed a t a t h ew o r k i n gf r e q u e n c i e so n d i f f e r e n tw o r k i n gs i t u a t i o n sa r eg a i n e dd u r i n gt h ec 0 1 1 r s eo fd y n a m i cs t r e s sa n a l y s i s a tt h es a m et i m et h e ya r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h eb u m p h y d r a u l i cs y s t e m m e a s u r i n ge x p e r i m e n t t h e ya r eq u i e t l yc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r t h em a i na i ma t a n a l y s i so f t h eb u m pi n h e r e n tf r e q u e n c yi st og e ti t sf i r s tf r e q u e n c y , w h i c hi su s e dt o f i n do u tt h er e a s o nw h yt h eb u m pv i b r a t e ss os e r i o u s t h en s o f ts o f t w a r eo fu s a m s cc o r p o r a t i o ni su s e dt o a n a l y z et h eb u m pi n t h ew a yo ff a t i g u e s t r e n g t h r e l i a b i l i t yo nt h eb a s i so f d y n a m i cs t r e s sa n a l y s i s ，a n dg e t t i n ga l lo f m e a s u r e dp o i n t s f a t i g u es t r e n g t hr e l i a b i l i t y , f a t i g u es t r e n g t hd a n g e r o u sp o s i t i o n so fb u m p o nd i f f e r e n t w o r k i n gs i t u a t i o n sa r eg o tb yg e n e r a l l ya n a l y z i n ga l l ( f ft h ed a t a t h el t ：a s o n t h a t b u m p v i b r a t e sw h e n w o r k i n g i sb u m p s y s t e m ss t i m u l u sf r e q u e n c y i sq u i t ec o n s i s t e n t w i t l li t si n h e r e n tf r e q u e n c ya n di t sh y d r a u l i cs y s t e m si m p a c t b ya n a l y z i n gb u m p w o r k i n gf r e q u e n c i e s r e l a t i o n t oi t si n h e r e n tf r e q u e n c y , t h e15 0 一l i t e rp e rm i n u t ei n p u t f l o wi sr e c o m m e n d e da te x i t i n gf u n c t i o np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：a b u m p a u t op i p i n gc o n c r e t ev i r t u a li n s t r u m e n t d a t a p r o c e s s i n g f a t i g u es t r e n g t hr e l i a b i l i t y ，l 第一章绪论 1 1 水泥混凝土泵车振动试验与疲劳寿命研究的背景与意义 在混凝土工程施工过程中，混凝土的输送和浇筑是一项繁重的、关键性的工作。 它要求迅速、及时、保证质量和降低劳动消耗。尤其是对于一些混凝土量很大的大型 钢筋混凝土构筑物( 大型设备基础、地下工程等) 和高层建筑，如何正确选择混凝土 输送和浇注方法就更为重要，它往往能决定工期长短和劳动量消耗“1 。混凝土泵是一 种用于输送和浇筑混凝土的旌工设备，它能一次连续地完成水平运输和垂直运输，效 率高、劳动力省、费用低，尤其对于一些工地狭窄和有障碍物的施工现场。而混凝土 泵车则是一种车载式的混凝土泵，除了具备上述优点外，还具有下面的优势：使混凝 土泵转移工地非常方便，更加灵活机动；安装在混凝土泵车上可以回转和折叠的布料 杆( 混凝土泵车布料杆伸缩回转如图l 一1 所示) ，能够将混凝土拌合物直接浇入模板 图1 1混凝土泵车布料杆折叠回转示意图 内，大大提高了混凝土浇筑速度。因此混凝士泵车正在迅速取代传统落后的混凝土浇 筑施工方法，逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。另一方面，我国有着巨大的 混凝土泵车的需求市场，“九五”以至2 0 1 0 年期间，我国要建一大批大型煤矿、油田、 电站、机场、港口、高速铁路、高速公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道路， 城镇住宅的开发和建设，这都需要大量的混凝土。“九五”期间，我国的商品混凝土 现浇比重由1 0 增加到2 0 ，其年设计能力由目前的6 0 0 0 万m 3 提高到8 0 0 0 万m 3 以上， 其中泵送混凝土将由目前的5 增加到2 0 1 0 年的1 0 。因此，这些基础建设的投资兴 建将为混凝土泵车提供巨大的应用市场。 1 1 1 振动对混凝土泵车整车性能的影响 目前混凝土泵车多采用液压驱动双缸往复式活塞泵，其工作原理是通过两个油缸 交替作用，推动混凝土缸中的工作活塞进行压送混凝土，实现混凝土的连续输送。而 在两个油缸交替作用的过程中当一缸从泵料转换成吸料，另一缸则从吸料转换成泵料 时，由于外载荷的突然变化，相应油管中的油压会从高压转化为低压，或从低压转化 为高压，同时油液的流向也会发生改变，油液流动的急剧变化，因此在液压系统中会 产生冲击。而泵车液压系统的冲击对混凝土泵车本身而言，就相当于一个激扰源，于 是就不可避免的引起整机振动，并致使混凝土泵车结构承受交变动载荷。混凝土泵车 在工作状态时，总的来讲，该装置是悬臂结构，这种由液压冲击造成的振动在混凝土 泵车工作时展开的臂架上反应的更加明显。只要是混凝土泵车进行工作，液压冲击就 一定存在，所以混凝土泵车工作时就一直在动载荷下服役，疲劳破坏是其主要失效形 式。 1 1 2 振动对旌工质量的影响 混凝土泵车在施工现场时，要求及时、精确的把混凝土输送到所要求的施工地点， 而振动无疑是最大的障碍。这种液压冲击引起的振动会对泵车的最后一节臂产生最大 的振幅，而且是一个复合振动，既在水平面内振动又在垂直面上振动，这致使混凝土 泵车臂架末端所连接的输料软管无法定位，尤其在工作面较小的大型桥墩、高层房屋 建筑施工时，更是增加了施工难度，影响了施工质量，还会造成大量的原料浪费。 由于振动的存在，使得无论是混凝土泵车的整机性能还是施工质量，都受到很大 的影响；因此在实际施工现场通过测试的手段获得测试数据，从而分析泵车结构的振 动，以及分析泵车结构的疲劳寿命；得出泵车结构的振动特性和疲劳寿命分析中的危 险部位，分析振动原因，并找出解决方案；对于延长机械设备的使用寿命，改善泵车 的整机性能及提高施工质量都有十分重要的现实意义。 1 2 国内外水泥混凝土泵的发展 1 2 1 混凝土泵的发展简史 从最早的混凝土泵出现，至今已有8 0 多年的历史。1 9 0 7 年德国就开始研究混凝 2 土泵，并取得专利权。此后，1 9 1 3 年美国c o m e l lk e e 设计出曲轴机械传统的混凝土 泵，取得专利权，并制造出第一台混凝土泵，但经过试运后即搁置，未得到应用。1 9 2 7 年德国的弗利茨海尔( f r i t zh e l l ) 又设计制造了混凝土泵，并第一次获得成功的应 用。但直至第二次世界大战，混凝土泵仍处于小规模的试用阶段。第二次世界大战之 后，各国陆续开展经济恢复工作，建筑工程规模日益扩大，机械式混凝土泵的销路较 好，应用日渐增多“1 。 到了1 9 5 9 年，德国的施文英( s e h w i n g ) 公司生产了第一台全液压的混凝土泵， 使得混凝土泵进入一个新的发展阶段。为混凝土泵大规模用于实际工程创造了有利条 件。此后，为了提高混凝土泵的机动性，6 0 年代中期又研制了混凝土泵车，使混凝 土泵从固定式发展为车载式，提高了其灵活和机动性。 在活塞式混凝土泵不断完善的过程中，1 9 6 3 年美国的查伦奇一考克兄弟 ( c h a l l e n g e - - c o o kb r o s ) 公司又研制了一种挤压式混凝土泵，这种泵的工作原理与 活塞式混凝土泵迥然不同。它是利用转动的滚轮挤压软管中的混凝土进行输送的。这 种混凝土泵构造简单，价格低廉，一度很受欢迎，但由于其输送距离小，后来少用， 我国未正式使用。 国外混凝土泵的主要生产厂家有：德国作为混凝土泵车主要生产国，施维英 ( s e h w i n g ) 公司，普茨迈斯特( p u t z m e i s t e r ) 公司是混凝土泵先进技术的代表，此 外还有特卡( t e k e ) ，利勃海尔( l r e b h e r r ) ，埃尔巴( e l b a ) 。意大利的华生顿公司， 美国的罗斯公司( r o s e ) ，摩根( m o r g e n ) ，伊利，日本的新泄铁工，三菱公司，石川 岛重工，萱杨( k a y a b a ) 等。 。 我国在5 0 年代就曾从国外引进过混凝土泵，6 0 年代初，上海重型机械厂又生产 了仿苏c 一2 8 4 型排量为4 0 m 3 m 的固定式混凝土泵，生产中虽有应用，但未能推广。 直到8 0 年代和9 0 年代，我国混凝土泵研制和生产才兴旺起来。大规模进行基本建设， 尤其是高层建筑的增多，对混凝土泵的需求旺盛，由于市场需求的驱动，各生产企业 竞相研制和生产新型的混凝土泵，使我国混凝土泵的生产上了一个新台阶，有些混凝 土泵还是与国外混凝土泵企业合作生产的。 国内生产混凝土泵的厂家有：长沙中联重科，三一重工，湖北建设机械股份有限 公司，山东方圆集团，徐州混凝土机械厂，山东建设机械股份有限公司，深圳重科和 沈阳盛港机械有限公司。 1 2 2 混凝土泵的发展趋势 1 国外混凝土泵的发展，大体上经历了从活塞式泵到挤压式泵再到活塞式泵：从 机械式到液压式，从低压到高压；从固定式到拖式再到汽车式的演变过程。由此看来 液压活塞式混凝土泵肯定是今后发展的主流，同时由于高层和超高层在全世界范围内 的迅速发展，发展大排量、高压混凝土泵在今后也是实际需要。 2 用混凝土泵施工，混凝土的布料是很重要的问题，无布料机时铺设输送管的时 间较长，而且还会引起施工不便。因而，近年来大量发展起来的带布料杆的汽车式混 凝土泵车，以其方便、机动灵活及快速性的优点成为混凝土泵今后发展的方向之一。 3 为保证混凝土的泵送能顺利进行，随时掌握混凝土的质量( 坍落度等) 和一些 泵送参数( 输出压力等) 很重要。为此，要提高混凝土泵送的可靠度，应研究在混凝 土泵上装备质量控制用的检测仪器。 4 混凝土泵经过一个迅猛发展阶段之后，目前的发展方向是提高其工作可靠度和 效率，这就要求用耐磨的高强度钢材，进一步研究改进阀门系统，降低噪声和振动， 简便操作，保证机械在长时间( 2 4 h 以上) 运转时不产生故障等。在这方面还有大量的 工作有待进行。 1 3 本论文的研究内容 本论文以某公司生产的臂架总长为3 7 m 的水泥混凝土泵车为研究对象，利用t b s - - 2 0 0 0 应变测试系统对其进行了动、静态应力及自振频率测试，并基于n i 公司的虚拟 仪器开发环境l a b v i e w 针对该测试系统开发了数据分析软件，利用该软件对所采集的 数据进行动、静应力分析及自振频率分析，然后使用美国m s c 公司的n s o f t 软件对该 型泵车进行了疲劳寿命分析，得到工作过程中该型泵车的静应力危险部位、该型泵车 的一阶固有频率、不同工况下的工作频率、疲劳寿命危险点。结合该泵车液压系统测 试实验结果对该泵车应力影响进行了分析。 4 第二章应变测试及数据分析理论基础 2 1 时域抽样定理 时域抽样定理可以表述如下圆：若连续信号，0 ) 的频谱占据一c o 。至+ 国。的范围，则 用等间隔抽样值唯一表示，( f ) 之条件为，抽样角频率国，必须大于或等于2 m ，即 国，2。(2-1) 或抽样周期 瓦i 2 厶( 2 2 ) 式( 2 一i ) 等效为最小抽样角频率或最小抽样频率： 脚。= 2 缈。，工m = 2 厶( 2 3 ) 式中 工m = 吼“2 z ，厶= 国。2 石 如果信号，( f ) 的频谱f 佃) 限制在一国。至+ 国。的范围内，如图2 - - 1 ( 6 ) 所示。 j l | j 八 r 一n 0 ， ( e ) 0 c b ) ( d 1( f ) 图2 - - 1冲激序列时域抽样 ( a ) 连续信号，o )( b ) f ( t ) 的频谱 ( c ) 冲激抽样序列p ( t ) ( d ) p ( t ) 的频谱( e ) 抽样信号正( r )( f ) 正( f ) 的频谱 若以抽样周期殆( 或抽样角频率= 2 州乃) 对厂( r ) 进行抽样；在此种情况下，只有满 足抽样定理中的国。2 9 0 m 条件，n ) 才不会产生频谱混叠，如图2 - - 2 ( a ) 所示。于 是，抽样信号保留了原信号，0 ) 的全部信息。当不满足抽样定理，即，2 国。时，则 频谱奖产生混叠。c ) 后一周期的低频混叠到前一周期的高频，如图2 - - 2 ( b ) 所示。 式( 2 - - 3 ) 所表示的最小抽样频率。2 c a 。或正= 2 厶称为奈奎斯特( n y q u i s t ) 频 率。最大允许抽样周期t 一= 1 2 厶称为奈奎斯特周期。 ，列 i 叭7 1 一 ( a ) 一n hc 山 ( b ) 图2 2 抽样定理的图形解释 ( a ) 0 3 ，孙。( 不混叠)( b ) & s 2 国，( 混叠) 2 2 离散傅立叶变换( d f t ) 如果一个信号在时域既是连续又是周期的则该信号在频域一定是非周期离散的频 谱。同理，不同时域特性的组合就可得到不同的频域特性的相应组合。只有离散时间 周期信号适于直接利用计算机采用数字的办法进行分析。对连续时间周期信号可间接 地先通过时域采样，进而计算离散时间周期信号的频谱来逼近，而对实际中大量存在 的非周期模拟信号，则由于非周期信号不论时间是连续还是离散其频谱都是频率的连 续函数，以致无法利用计算机进行计算。为此，对非周期信号除了要求时间离散化， 还应人为地在频域对连续频谱进行离散化。亦即通过对离散时间傅立叶变换式中的频 率离散化，以期形成时域变量和频谱变量都是离散的离散傅立叶变换0 3 。 按一个能量有限，时间长度为l 的有限长度序列其d t f t ( 离散时间傅立叶变换) 为 幽) 2 荟x ( 玎) p 一( 2 _ 4 ) q 为离散域频率和数字频率，现将频率离散化，e p 以k n 。= k 2 z n 代入上式中的q ， ( q 。为频域取样间隔，n 为一个周期的样点数) 得 那尹2 j z = 篓砌) “”七= 0 ，l ，一，一1 ( 2 - - 5 ) 6 厂0 u1 盘删u 设三n ，则有x ( n ) = o ，片工。当频率样点数已知，2 ；, t i n 为定数，故上式又可改 写成 那) 2 萎砌扩“- 0 ，1 ，_ 1( 2 _ 6 )h ；u 一i ) ， 式( 2 6 ) 称为有限长序列x ( n ) 得离散傅立叶变换，通称d j f t 。综上所述，点d f t 是有限长序列( 工) 的d ”叩的点均匀取样值，也就是非周期离散时间信号频谱 的样值。根据取样定理明显看出，在时域对时间进行离散化其出现周期化。所以d f t 又可以看作以z ( 咒) 为一个周期，进行周期延拓所形成的周期序列x 。( 阿) 的离散频谱，在 一个周期的取值再乘以。这种从离散傅立叶级数派生出来的，把一个再时域为有限 长的序列x ( 珂) ，变换到频域为另一个有限长的序列x ( k ) 的变换，称为离散傅立叶变换。 所以有 v l d f r k ( n ) 】= 盖( 七) = n x ( i 鼢。) = x ( 玎弦一业2 “( 2 7 ) n = 0 2 3 快速傅立叶变换( 肼t ) d f t 之所以在各个学科领域获得广泛应用，其中一个非常重要原因是因为它存在 有高效快速的算法。 快速傅立叶变换，简称用叮。1 ，就是计算d f t 的快速算法的通称。习惯上是指以 1 9 6 5 年库利和图基( c o o l e y t u k e y ) 算法为基础的一类高效算法。由于它的出现和发 展对推动信号的数字处理技术的变革和发展起到着重大作用。因此本节重点阐明用叮 算法的基本思想及在本次设计中所用有关算法的优点。 2 3 1 即r 算法的基本思想 已知点有限长序列x ( n ) 的d j f t 如式( 2 7 ) 所示。通常x ( k ) 可以为复数，给 定的数据x ( n ) 可以是实数也可以是复数。为了简化，令指数因子( 有的书称为旋转因 子和加权因子) = e - j 2 x n ( 2 8 ) 当给定，是一个常数，则x ( k ) 可写成 一l ( 七) = x ( 踟方 k = 0 , 1 ，n 一1 ( 2 9 ) n = 0 7 因而d 玎可看作以阡守为加权系数的一组样点x ( 玎) 的线性组合，是一种线性变换。 将式( 2 9 ) 展开，得 x ( o ) = w o o 工( o ) + w o 1 x ( 1 ) + + w o 一1 x ( n - 1 ) x ( 1 ) = w 1 o x ( 0 ) + w 1 1 x ( 1 ) + + w 1 一n x ( n 1 ) ： ：( 2 - - 1 0 ) _ - x ( n 一1 ) = w - 1 o x ( o ) + f r 一1 x o ) + + w 一1 一n x ( n 一1 ) 可见上式中，每完成一个频谱样点的计算，需要作次复数乘法和( 一1 ) 次复数加法。 整个x ( k ) 序列的个样点的计算，就得作2 次复数乘法和( 一1 ) 次复数加法。而且 每一复乘又含有4 次实乘和2 个实加；每一复加又包含又2 个实加。这对一个实际得 信号长度来说，每当点较多得时，这么大的数组，势必占用很长的计算时间。即使是 目前运算速度很快的通用p c 机，往往也难免失去实时性。例如n = 1 0 2 4 ，则n 2 * 1 0 6 ， 设进行一次复乘运算为l 微秒，若仅仅考虑乘法运算就得花1 秒钟，况且复加和控制 的时间都是不能忽略的。可见，d 刀虽然解决了利用计算机进行信号与系统的分析问 题，但尚未解决实时性问题，因而直接计算d f t ，在实际应用中有其局限性。为了提 高速度，还有赖于提出高效的算法。 d f t 运算时间能否减少，关键在于实现d f t 运算是否存在规律性以及如何利用这 些潜在的规律。通过以下对式( 2 9 ) 的分析，得知指数因子存在周期性，即 w ；= w p n 时= 嘴“m m n 1 ，m 为接数 ( 2 1 1 ) 式中下标是为了强调以为周期。由于 吲= e - j ( 和：1 ：折 ( 2 一1 2 ) 所以又称为对模n 的n 次单位根，时称为离散傅立叶变换核( f o u r i e r k e r n e l ) 。快速傅立叶变换的实现，在很大程度上取决于这个变换核周期性和基于下列 关系而存在着许多可压缩的重复运算( 冗余量) ，即 w ：= 1 ，w p = 1w ：“= 一1 w ：i 4 = 一jw | 4 = jw k = w 妒 q 一1 3 ) 因此阡，除具有周期性以外，还具有对称性，即 w p = 律； ( 2 一1 4 ) 此外，由于d f t 的复乘和复加的次数都是与2 成正比的，因此若把长序列分解 为短序列，例如把点d f t 分解为2 个2 点d j f 丁之和时，其结果使复乘次数减少 到近似等于2 ( n 2 ) 2 = n 2 2 ，即分解前原来的一半。由此可见，用可的基本思想是 把原始的点序列，依次分解成一系列短序列。充分利用d 仃计算式中指数因子巩， 所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的d j f 丁，并进行适当组合， 最终达到删除重复计算，减少乘法运算，提高速度的目的。 2 3 2 本次设计所用算法及其优点 用叮算法很多，本次设计中所采用的算法为按时间抽取基2 f 刀算法。将点 删叮输入序列x ( 功，在时域分解成2 个2 点序列而( ) 和善：( 聆) ，前者是从原序列中 按偶数序号抽取而成，而后者则按奇数序号抽取而成。这样有规律地按奇、偶次序逐 次进行分解便构成这种算法。而这种算法要求输入的采样点必须是2 的幂，即 n = 2 ” m = 1 , 2 3 ( 2 1 5 ) 在实际采样输入中，并不是所有序列的采样点都满足2 的次幂，所以本次设计中采取 补0 的方法来满足这个条件。即在序列的末尾加0 ，从而令总采样点等于2 的次幂。例 如，如果有1 0 个采样点，可以通过添加6 个0 ，是采样点等于1 6 ，实际处理过程中在 时域波形末尾加0 并不会影响信号的频谱图。加0 不仅可以方便的进行快速傅立叶变 换，而且通过增加采样点数，增大频率的分辨率( 4 ， = 工n ) 。直接对个采样点 执行d 胛变换大约需要2 步复数运算，而利用本次设计中的算法只需用n l o g ，( ) 步 操作仅此完成傅立叶变换的运算，这可以大大的加快n f t 的计算过程，其优点就是较 高的速度和低内存损耗，也就是说不需要另外的缓存计算输出值。 2 4 应变花处理方法 在测试过程中，测试点位置贴有应变片或应变花( 其示意 图如图2 3 ) ；这是因为应变片主要是在已知主应力方向的情 况下，才能够较准确的反映出测试位置的受力情况。但由于测 试对象有些部位的应力状况比较复杂，并不能确定其主应力方 向，在此种情况下，使用应变片已经远远不能满足实际需要， y 图2 3 应变花示意图 故在测试过程中贴有应变花。而应变花应按照下面的步骤逐步进行处理。 首先求出o x 、盯，、，具体计算如下“1 ： 9 e ( + z 6 y ) 吒2 矿 e ( 6 y 七# s 1 q 2 矿 矿击b 导。) 2 而【下一巳s 。j ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 式中e 一弹性模量一泊松比 任意方向的应力计算公式为 咿半+ o x - - 2 c r y c o s 2 g - - s i n 缸 ( 2 - 1 9 ) 其次可求出测点处的最大、最小正应力一q 一、h 。 即把式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入下式。1 ， 则有：盯篇：一o x + o y 乒i ( 2 - - 2 0 ) 瑶= 詈 等南厄可衰雨) 。吲， 最后利用o n n x 、o m i a 进行应力合成，即可以求出该测试点的合成静应力，其具体 计算如下： 根据第四强度理论嘲求合成应力盯 盯= 莎鬲瓦j i 葡。吃， 其中盯1 = 仃，盯2 = 盯曲，盯3 = 0 2 5 随机载荷下结构疲劳寿命分析原理 2 5 1 结构疲劳寿命的时域分析方法“1 1 0 随机载荷下结构疲劳寿命分析方法有时域分析方法和频域分析方法两种。对于已 有结构和定型产品，人们常用时域分析方法来研究结构的疲劳寿命。即通过现场实测 结构危险部位的载荷一时间历程，然后采用各种循环计数方法，如峰值计数法、穿越 计数法、范围计数法、范围配对计数法、雨流计数法等( 目前国内外最常用的是雨流 计数法) 。求得应力循环后，再根据名义应力法或局部应力一应变法求得各应力循环的 疲劳损伤，最后用p a l m g r e n m i n e r 疲劳累积损伤法求得变幅疲劳寿命。这种计算方法 可通过各种计算机程序来完成。s c h u l l i n g 等人在7 0 年代提出采用等效应力法来计算 变幅载荷下疲劳寿命，由于这种方法能简洁的处理随机疲劳问题，从而得到广泛使用， 许多著名的设计标准，如英国的b s 5 4 0 0 标准、欧洲的e c c s 标准、美国的a a s h t o 标准、 瑞典的b s k 标准等，均采用等效应力一寿命曲线作为设计曲线，等效应力法的基本原 理是：由m i n e r 疲劳累积损伤法则推得随机载荷下损伤量相同、循环次数相等的等效 应力，然后采用恒幅s - - n 曲线进行寿命计算。 2 5 2 结构疲劳寿命的预测方法“1 疲劳累积损伤模型 构件的疲劳损伤过程是结构在交变载荷作用下，结构强度抗力不断减小的一个不 可逆过程。当结构抗力下降到一定程度后，构件就会出现裂纹，最后发展到疲劳破坏。 因此。工程上常用疲劳累积损伤的概念来研究结构的疲劳寿命。疲劳累积损伤的计算 方法很多，但最广泛使用的是p a l m g r e n 和m i n e r 提出的线性疲劳累积损伤模型，即 y 旦：1 ( 2 - - 2 3 ) 一n 式中玎一第i 级载荷所对应地循环次数； m 一第i 级载荷单独作用下结构发生疲劳破坏地循环次数。 p a l m g r e n - - m i n e r 提出的疲劳损伤与循环次数成线性关系的力学前提是：认为在某 一等幅应力s 。作用下( 对应的疲劳寿命为m ) ，在每一个应力循环中，材料吸收的净 功( n e tw o r k ) a w 相等，当这些被材料吸收的净功达到临界值矿时，疲劳破坏发生。 即( 2 - 2 4 ) 矽1 在变幅应力s ，( i ：1 ，2 ，玎) 器南蛰各应力水平的等幅寿命分别为m ( i ： l ，2 ，”) ，各应力循环所产生的净功分别为。( i = 1 , 2 ，n ) ，则当 y ：w( 2 2 5 ) 时疲劳破坏发生，故有 y 堕：y 旦：1 - w - n ( 2 2 6 ) p a l m g r e n - - m i n e r 法则的最大优点是比较简单。大量的统计资料表明；尽管各类试样的 疲劳累积损伤 d：y旦(2-27) - n + 相差很大，但d 的数学期望 e(d)“1(2-28) 因此，有许多非线性疲劳累积损伤模型，尽管应用时需要进行大量的试验来拟合众多 的参数，但精度并不比p a l m g r e n - - m i n e r 精度更高。所以，迄今所有工程上使用的疲 劳寿命预测方法基本上都是建立在p a l m g r e n - - m i n e r 法则基础上。由于疲劳寿命离散 性很大，为了提高计算的可靠性，结构抗疲劳设计应采用概率设计方法。 2 5 3 高周疲劳寿命的预测常用方法简介旧 高周疲劳寿命研究广泛采用名义应力法，即以材料或构件危险部位的s - - n 曲线为 基础，结合疲劳累积损伤法则来计算构件发生破坏的疲劳寿命。具体步骤为： 1 先用雨流循环计数法将随机载荷谱整理成块谱，首先计算一个块谱的疲劳累积 嬲：d = 喜寿 。咽， = 土、 在上式中，k 为在n 级载荷谱中能够产生疲劳损伤的总级数。 由s - - n 曲线方程( n i s 7 = c ) 可得： d = 去一卵 ( 2 3 0 ) 2 根据p a l m g r e n - - m i n e r 法则，构件发生疲劳破坏时所经历的载荷块数为 占2 i 12 面c ( 2 - - 3 1 ) d 击。 3 构件的疲劳寿命为 ：口一：掣( 2 _ 3 2 ) 吩掣 在上式中，为一个块谱中的循环总数 第三章应变测试、数据处理软件的开发及硬件简介 3 1 测试系统概述 软件开发中所涉及的测试系统是工程机械学院测试实验室的t b s - - 2 0 0 0 应变测试 系统( 体系结构图如图3 一l 所示) 。该测试系统由两个相互独立的系统构成，分别 图3 1t b s - - 2 0 0 0 应变测试系统体系结构 为：6 4 通道动、静态应变测试系统、6 4 通道静态应变痫试系毓。二者的连接示意图如 图3 2 、3 3 所示伽。 台 嘲t b s 电 式 zzz 桥 计 皿 算衡 机 机箱 2 3 0 1 箱 图3 26 4 路动、静态测试系统示意图 笔 s c t b s 电 记 zzz 桥 本 皿 电衡 脑 1 0 0 02 3 0 1 箱 图3 3 6 4 路静态测试系统示意图 软件部分主要是针对t b s - - 2 0 0 0 应交测试系统开发的，使开发后的测试系统具有 以下功能： ( 1 ) 1 2 8 路动、静态应变测量，并有很好的实时性，使用者在现场能观测到所采集 的全部数据。 ( 2 ) 强大的数据处理功能对采集到的数据能够进行均值、概率密度、峰值、均 方根、自相关、互相关、自功率谱、互功率谱、频谱和数字滤波等多种分析。 3 2 测试系统软件平台简介 3 2 1 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结 合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式：一种是将计算机装 入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计箅机功能的日益强大以及其体 积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另 一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪 器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。2 0 世纪8 0 年代美国的国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 率先提出了虚拟仪器的概念。其核心为：利用计算 机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放等功能( 即充 分利用计算机的硬件资源，如处理器、存储器、显示器等) ，同时把传统仪器的专业功 能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样就构成了一台从外观到 功能都完全与传统仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。也 就是说使用相同的硬件系统，通过不同的软件完成功能不同的各种测量。即软件系统 是虚拟仪器的核心，软件可以定义各种仪器，而硬件的主要功能是完成数据采集。因 此国际上也把这种类型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。用户操纵计算 机时可直接进行对仪器系统的各种控制，如同操纵一台定制的传统仪器。自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟式仪器，而本文后面所提到的 l a b v i e w 更是n i 公司推出的享誉世界的虚拟仪器集成环境。而在n i 公司之后，著名的 美国惠普( 以下简称h p ) 公司紧紧跟上。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 t e k t r o n i c 公司、r a c a l 公司也相继推出虚拟仪器。作为仪器领域中最新兴的技术，虚 拟仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。9 0 年代中期以来，重庆大学、哈尔滨 工业大学、西安交通大学等单位在研究、开发虚拟仪器产品阻及引进、消化n i 公司和 h p 公司产品方面作了一系列有益的工作，并取得了另人瞩目的成果。 下面给出虚拟仪器的系统构成： 1 4 叫n 号- n n _ 叫数据采集卡卜- 旧l 叫g p 接口仪器卜_ 叫g p m 接口卡r 一重 7 j 串口仪器，p l cr l l l j 7 l v 仪器 r 图3 4 虚拟仪器的系统构成图 虚拟仪器的主要特点有： 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强 的仪器。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 3 2 2 虚拟仪器软件开发工具的选择 随着虚拟仪器技术的发展，其开发工具也日趋增多。但是当今世界公认比较成熟 的开发虚拟仪器系统的工具软件，应数n i 公司的l b b v i e w 、l a b w i n d o w s 、c o m p o n e n t w o r k s 和惠普公司的h pv e e ，它们都是基于g p i b 和v x i 硬件接口系统的专用测试软件， 并向用户提供至少以下几方面的功能： ( 1 ) 用户界面的组建工具； ( 2 ) 提供一种语言编程或图形编程方法； ( 3 ) 对g p i b 和v x i 总线控制和读写的函数库； ( 4 ) 对测量数据处理和数学运算的函数库； ( 5 ) 通过动态数据交换d d e 方式同数据库等其它软件联系，也能支持网络功能。 在实际的虚拟仪器开发过程中，总起来说使用相对频繁的是l a b v i e w 和 l a b w i n d o w s 。 二者在面向自动测试的功能上很相似，都是一个完整的软件开发平台，具有编辑、 编译、连接、调试、帮助等功能。但是l a b w i n d o w s 是以c 语言为基础，称为c v i ( cf o r v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。同时它具有交互式功能，既能够象b a s i c 那样解释性的执行； 另外还能交互式的选择需要的函数，使用户不必记住烦杂的函数名称及其参数。而 l a b v i e w 开发应用系统的程序不是以文本方式描述，而是所谓的“图形编程”，用户界 面上的每一个控制都对应于框图中的一个元件。通过连线把这些元件连接起来，以此 表明信号的流程、走向，用户也能加入一些逻辑或数学运算的元件或者滤波器等信号 处理元件，从而使测得的结果得以分析和运算；另外对诸如条件分支、循环、跳转等 程序控制语句也采用图形编程的方法，即用图形框把判断条件、循环体的部分框起来， 再加以不同的特性符号和说明。n i 公司认为这种编程方法可使从来没有编程经验的用 户避免学习编程语言的麻烦，并称之为编程语言发展的趋势。由上述的比较及实验室 的实际条件，本次毕业设计中采用l a b v i e w 作为虚拟仪器的开发工具。 3 2 3l a 6 v i e w 简介“1 l a b v i e w 概览l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，它是由美国著名的国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 研发的一种基于图形开发、调试和 运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟仪器软面板、用户界面和方框图建立虚 拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言 ( g r a p h i c a lp r o g r a n n i n gl a n g u a g e ) ，它还是目前应用最广、发展最快、功能最强的 虚拟仪器开发环境。1 9 8 6 年开始在a p p l em a c i n t o s h 上使用，到1 9 9 2 年被扩展到多操 作系统，本文所采用的是目前最新的6 1 版本。 l a b v i e w 的概念l a b v i e w 和c 、b a s i c 一样，是一种程序开发环境，但是l a b v i e w 与它们之间最大的区别在于，其他这些开发环境都采用基于程序代码的编程语言，而 l a b v i e w 使用的一种图形化编程语言一g 语言，这种编程语言采用流程图的形式开发应 用程序。 另一方面，l a b v i e w 与c 、b a s i c 一样，是一种具有各种函数库的通用程序开发系 统。l a b v i e w 自带的函数库可以用于数据采集、g p i b 和串行设备的控制、数据分析、 数据显示、和数据存储。l a b v i e w 还提供了一些常用的开发工具，这些工具可以在程序 中设置断点查看数据流的运行方式，还可以执行某段程序，从而简化了程序工作。 l a b v i e w 的编程原理 l a b v i e w 是一个通用的程序开发 系统，但它提供了一些专门用于数据 采集和仪器控制的函数库与开发工 具。因为l a b v i e w 开发的程序的外观 和操作方式都与实际仪器类似，所以 被称为虚拟仪器( 下文中简称为v i ) ， 而实际上v i 相当于传统编程语言中 的函数。 任何一个v i 都是由三个部分组 成：一个可交互的用户界面、一个相 图3 5v l 前面板示意图 当于源代码的流程图和用于与其他连 接的图标联接器。下面是对这三个组成部分的介绍： ( 1 ) 因为可交互的用户接口与实际仪器的操作面板类似，所以被称为前面板 1 6 ( f r o n tp a n e l ) 。图3 5 是v i 前面板的简单示例。 前面板通常包括旋钮、按钮、图形或者其他的控制对象和显示对象。可以用鼠标 或者键盘在前面板中输入数据，观看程序运行的结果。 ( 2 ) v i 从流程图( b l