基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法及系统。该方法包括，获取被测承载结构，对所述承载结构进行网格划分，建立结构全局网格化模型；对所述结构全局网格化模型分别进行载荷受力分析和振动模态分析，经载荷分解得到各载荷的单位位移矩阵和单位应变矩阵，经振型分解得到各阶次振型的单位位移矩阵和单位应变矩阵；引入实测应变信息矩阵，结合各载荷的单位应变矩阵和各阶次振型的单位应变矩阵，得到应变权重模型；基于应变权重模型，得到各载荷权重值和各阶次振型权重值；联合各载荷的单位位移矩阵、各阶次振型的单位位移矩阵、各载荷权重值和各阶次振型权重值，进行虚拟数字孪生模型重构，获得承载结构全局变形信息。全局变形信息。全局变形信息。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法及系统


[0001]本专利技术属于高速列车结构健康监测
，尤其涉及一种基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]列车承载结构在服役过程中，长期受到交变载荷、冲击、振动、高低温循环等恶劣环境因素影响，容易产生结构形变，发生结构疲劳累积，可能会造成列车事故，导致人员生命危险和经济损失，因此，对承载结构的变形进行实时监测，对于保障列车运行安全、提高列车智能化水平具有重要意义。
[0004]目前尚没有应用于列车承载结构的变形监测方法，在其他应用领域，现有的形变检测方法有视觉测量法、基于位移传感器的变形监测方法等，以上方法存在使用条件受限、无法获得结构全局变形等缺点，无法应用于列车承载结构变形在线监测，具体阐述如下：
[0005](1)基于立体视觉的结构变形测量方法
[0006]基于立体视觉的结构变形测量方法是目前较为成熟的方法，相关的二维和三维成像传感装置、系统和软件算法均已有商用产品，如图1所示为其基本原理。该方法通常建立世界坐标系、相机坐标系和图像平面坐标系等三类坐标系，采用多个相机配合或结构光和相机配合的方法，利用几何成像原理，建立图像坐标系与世界坐标系的数学关系，进而通过测量图像，获得被测对象的世界坐标，实现对被测结构表面三维形状的测量。
[0007]基于立体视觉的结构变形测量方法具有速度快、不需要材料参数信息、受温度因素影响小等优点，但是其存在安装空间限制、不能获得结构内部形状变化等缺点，不能满足高速列车承载结构变形监测需求，详细阐述如下：
[0008]1)相机阵列及结构光源需要一定的安装空间，并要求光线不被遮挡，高速列车的承载结构包括车体、枕梁、横梁、转向架构架等结构，通常与其他结构紧密配合，周围空间狭小，不具备安装相机及结构光源的条件，且光线容易被阻挡，无法通过视觉方法获得结构全局的变形信息。
[0009]2)光路结构容易受到机械振动因素影响，高速列车服役过程中，长期处于高速、强振动、加减速和冲击等状态，视觉测量系统的光路结构极易受到外界机械振动和变形的影响，产生测量误差，该方法难以满足使用需求。
[0010]3)视觉测量方法只能够获得被测结构表面的变形信息，无法获得结构内部变形信息，因此，无法获得结构全局变形信息。
[0011](2)基于位移传感器和曲线/曲面拟合的变形监测方法
[0012]该方法原理简单、技术成熟，针对被测结构，在关键部位布置有限个位移传感器，可以采用电容式、拉线式、激光式、光纤等各种类型传感器，以获得有限位置的位移信息，通过曲面/曲线拟合方法，获得结构局部变形信息。但该方法存在无法获得结构全局变形信
息、装置复杂等问题，不能满足高速列车承载结构变形监测需求，详细阐述如下：
[0013]1)不能获得结构全局变形信息，仅能够获得有限数量被测位置的变形信息，即使通过曲线/曲面拟合方法，也只能够获得结构局部变形信息。
[0014]2)不能获得结构内部变形信息，位移传感器只能够获得被测结构表面的位移信息，无法对结构内部位置的位移信息进行测量。
[0015]3)通常情况下，位移传感器的体积较大、装置复杂，高速列车的承载结构周围空间狭小，无法大量布置位移传感器，难以满足复杂形变的测量。
[0016](3)基于应变传感器和模态重构法的结构位移测量方法
[0017]该方法在被测结构上布置有限数量的应变传感器，通过对结构的振动模态分析与有限元仿真，获得不同振动阶次下的振型位移与应变信息，建立被测位置应变与振型之间的映射关系，结合实测应变信息，求解获得不同阶次振型的权重信息，进而实现对结构形状的重构，即可获得结构全局变形信息。该方法结构受力状态和变形形式有特殊要求，不能满足高速列车承载结构变形监测需求，详细阐述如下：
[0018]1)该方法要求结构处于自由状态或载荷恒定状态。模态重构法的前提是结构所受准静态载荷为0或恒定，对于载荷变化的结构并不适用。高速列车承载结构在服役过程中，其载荷发生交替变化，不满足模态分析法的应用条件。
[0019]2)该无法对准静态载荷造成的变形进行测量。模态重构法的基本原理是多阶振型的线性叠加，在实际应用时，一般只能取有限数量的阶次，只能够满足振动位移形态的重构，对于准静态载荷造成的变形，该方法无法进行重构，因此，无法对这种由准静态载荷造成的变形进行测量。
[0020]综上所述，现有的形变检测方法存在：结构全局变形信息难以获取问题、传感装置难以在狭小空间安装的问题、准静态载荷和动态振动变形同时准确测量的问题。

技术实现思路

[0021]本专利技术提供了一种基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法及系统，其通过建立结构位移要素虚拟孪生模型、布置传感器网络和虚拟孪生模型重构，获得结构全局变形信息，解决现有测量方法存在的上述问题。
[0022]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0023]本专利技术的第一个方面提供一种基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法。
[0024]基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，包括：
[0025]获取被测承载结构，对所述承载结构进行网格划分，建立结构全局网格化模型；
[0026]对所述结构全局网格化模型分别进行载荷受力分析和振动模态分析，基于载荷受力分析的结果进行载荷分解得到各载荷的单位位移矩阵和单位应变矩阵，基于振动模态分析的结果进行振型分解得到各阶次振型的单位位移矩阵和单位应变矩阵；
[0027]引入实测应变信息矩阵，结合各载荷的单位应变矩阵和各阶次振型的单位应变矩阵，得到应变权重模型；基于应变权重模型，得到各载荷权重值和各阶次振型权重值；
[0028]联合各载荷的单位位移矩阵、各阶次振型的单位位移矩阵、各载荷权重值和各阶次振型权重值，进行虚拟数字孪生模型重构，获得承载结构全局变形信息。
[0029]进一步地，所述结构全局网格化模型包括表面网格单元和内部网格单元。
[0030]进一步地，所述对所述结构全局网格化模型分别进行载荷受力分析和振动模态分析包括：若载荷不为0时，所述承载结构所受载荷为准静态载荷；若载荷为0时，所述承载结构所受载荷为动态振动变形。
[0031]进一步地，所述载荷分解为：根据作用点和作用方向进行载荷力分解，并对每种载荷在单位作用力下的位移和应变进行仿真分析，得到各载荷的单位位移矩阵和单位应变矩阵。
[0032]进一步地，所述振型分解为：根据承载结构的固有材料和形状固有属性，进行振动仿真，得到所述材料的n个阶次固有频率，根据所述材料的n个阶次固有频率得到各阶次振型的单位位移矩阵和单位应变矩阵。
[0033]进一步地，所述实测应变信息矩阵根据若干个传感器的实测应变数据得到。
[0034]进一步地，所述虚拟数字孪生模型为所有载荷力的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，其特征在于，包括：获取被测承载结构，对所述承载结构进行网格划分，建立结构全局网格化模型；对所述结构全局网格化模型分别进行载荷受力分析和振动模态分析，基于载荷受力分析的结果进行载荷分解得到各载荷的单位位移矩阵和单位应变矩阵，基于振动模态分析的结果进行振型分解得到各阶次振型的单位位移矩阵和单位应变矩阵；引入实测应变信息矩阵，结合各载荷的单位应变矩阵和各阶次振型的单位应变矩阵，得到应变权重模型；基于应变权重模型，得到各载荷权重值和各阶次振型权重值；联合各载荷的单位位移矩阵、各阶次振型的单位位移矩阵、各载荷权重值和各阶次振型权重值，进行虚拟数字孪生模型重构，获得承载结构全局变形信息。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，其特征在于，所述结构全局网格化模型包括表面网格单元和内部网格单元。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，其特征在于，所述对所述结构全局网格化模型分别进行载荷受力分析和振动模态分析包括：若载荷不为0时，所述承载结构所受载荷为准静态载荷；若载荷为0时，所述承载结构所受载荷为动态振动变形。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，其特征在于，所述载荷分解为：根据作用点和作用方向进行载荷力分解，并对每种载荷在单位作用力下的位移和应变进行仿真分析，得到各载荷的单位位移矩阵和单位应变矩阵。5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高速列车承载结构变形监测方法，其特征在于，所述振型分解为：根据承载结构的固有材料和形状固有属性，进行振动仿真，得到所述材料的n个阶次固有频率，根据所述材料的n个阶次固有频率得到各阶次振型的单位位移矩阵和单位应变矩阵。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，姜明顺，张法业，隋青美，贾磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：