Способ реконструкции трехмерного образа физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке
Изобретение относится к области механики сплошных сред и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния объектов механических систем. Способ заключается в измерении пространственной вибрации, накапливании массива векторных величин деформаций и воспроизведении пространственного годографа измерительной точки. При этом синхронно с измерениями осуществляют аналитический синтез 3D-суперпозиции спектра измерений и накапливают массив векторных величин напряжений. Диагностику напряженно-деформированного состояния объекта осуществляют по визуальному образу, представленному в виде пространственной трехмерной диаграммы физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, представляющей в связанном виде законы Гука и Пуассона. Технический результат заключается в реализации возможности отражения в реальном времени текущего ресурса конструкционной прочности объекта мониторинга, повышении достоверности оценки физического состояния объектов мониторинга. 5 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области механики сплошных сред, в частности к способам реконструкции трехмерного образа физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния объектов механических систем, и может быть использовано для оценки и прогнозирования техногенной безопасности.
Известен способ регистрации характеристик деформирования, заключающийся в том, что диагностические параметры состояния элементов объекта исследования измеряют посредством вибродатчиков с ориентацией по трем направлениям: вертикальному, поперечному и продольному, сохраняют в компьютере в виде оцифрованной амплитудно-временной характеристики ускорения и обрабатывают с использованием преобразования Фурье для получения амплитудно-частотных характеристик (Патент RU №2250445, 28.04.2004, кл. G01M 7/00).
Недостатком данного способа является то, что:
1. Измерение связанных фундаментальными законами механики пространственных параметров деформирования в измерительных точках осуществляется совокупностью скалярных измерительных средств, устанавливаемых в трех взаимно перпендикулярных направлениях. При этом они разнесены в пространстве, что снижает достоверность измерения деформационных диагностических параметров.
Обработка системно несвязанных измеренных и оцифрованных амплитудно-временных характеристик ускорения с использованием преобразования Фурье приводит к системно несвязанным амплитудно-частотным характеристикам, что искажает результаты гармонического, статистического и корреляционного анализа и лишает их адекватности наблюдаемым физическим процессам и явлениям в объектах исследования.
3. В процессе измерений (мониторинга) и обработки (реконструкции) не учитывается важнейшая характеристика системно связанных волновых по сути колебательных процессов - фаза колебаний диагностических параметров. Для достоверной оценки деформационного состояния объектов механических систем требуется построение системно связанных пространственно-временных амплитудно-фазочастотных характеристик- спектральных деформационных годографов с применением векторно-фазовых методов обработки измерений.
5. В способе не приводится в соответствие положение измерительных точек кибернетическому образу SD-модели объекта мониторинга, что абстрагирует систему измерения от состояния объекта.
6. Отсутствие в способе оценки природной физической связи измеряемых диагностических параметров деформаций с порождающими их пространственно-временными параметрами воздействий существенно снижает эффективность способа.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ реконструкции трехмерного образа физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, включающий измерение посредством, по крайней мере, одного синхронно измеряющего три ортогональные проекции вектора ускорения средства измерения пространственных колебаний, получение полного спектра амплитудно-частотной и фазовой информации о векторе деформационного состояния объекта моиторинга в измерительной точке, накопление массива векторных величин деформаций и отображение на мониторе компьютера визуального образа пространственных деформаций в измерительных точках (Патент RU №2371691, 22.04.2008, кл. G01M 7/02).
Недостатком данного способа является то, что не представляется возможным осуществлять достоверную оценку физического состояния объектов мониторинга, поскольку в данном способе для характеристики напряженно-деформированного состояния используется только один диагностический параметр (деформация) в пространстве и во времени.
Техническим результатом заявленного способа является повышение информативности и достоверности оценки физического состояния объектов мониторинга.
Технический результат достигается тем, что в способе реконструкции трехмерного образа физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, включающем измерение посредством, по крайней мере, одного синхронно измеряющего три ортогональные проекции вектора ускорения средства измерения пространственных колебаний, получение полного спектра амплитудно-частотной и фазовой информации о векторе деформационного состояния объекта мониторинга в измерительной точке, накопление массива векторных величин деформаций и отображение на мониторе компьютера визуального образа пространственных деформаций в измерительных точках, перед отображением на мониторе визуального образа информацию о спектре векторов деформаций вводят в блок напряженно-деформированных соотношений, где через определяющие уравнения причинно-следственной связи параметров фундаментальных законов механики осуществляют синхронно с измерениями аналитический синтез 3D-суперпозиции спектра напряжений, обоснованный законами Гука и Пуассона для чувствительного элемента средства измерения пространственных колебаний, путем обратного тензорного преобразования 3D-суперпозиции спектра (измерений) деформаций измерительных точек, накапливают массив векторных величин напряжений и отображают на мониторе компьютера визуальный образ в виде пространственной трехмерной диаграммы физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, по которой осуществляют диагностику его напряженно-деформированного состояния.
Сущность заявленного способа поясняется чертежами. На фиг.1 представлена пространственная трехмерная диаграмма физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке. На фиг.2 - блок-схема устройства, позволяющего осуществить заявленный способ. На фиг.3 представлен график измерения динамики электрических напряжений во времени, полученный при мониторинге объекта по способу-прототипу. На фиг.4 представлен график измерения динамики смещения во времени, полученный при мониторинге объекта заявленным способом. На фиг.5 представлен график измерения динамики твердости, полученный при мониторинге стандартным способом (способ ударного отскока).
Блок-схема устройства включает:
Блок 1 - средство измерения пространственных колебаний, представляющее собой ЗВ-приемник, описанный в патенте RU №2383025, которое все компоненты вектора измеряет при полной синхронности и позволяет получить полный спектр амплитудно-частотной и фазовой информации о векторе деформационного состояния объекта мониторинга, соединен с входом блока 2.
Блок 2 представляет собой трехканальные блоки согласования, синхронной передачи, аналого-цифрового преобразования и ввода в процессор измеренных компонентов параметров деформаций.
Блок 3 - цифровое запоминающее устройство измеренных компонентов параметров деформаций.
Блок 4 - блок спектральной обработки и нормирования компонентов измеренных параметров деформаций.
Блок 5 - блок спектральной реконструкции пространственно-временных эллиптических годографов параметров деформаций в измерительных точках.
Блок 6 - блок реконструкции проектных параметров 3D модели объекта мониторинга.
Блок 7 - блок напряженно-деформированных соотношений, в котором происходит обратное тензорное преобразование спектра векторов деформаций в спектр векторов напряжений.
Блок 8 - блок визуализации диагностических параметров.
Блок 9 - блок документирования.
Блок 10 - блок системной синхронизации измерений и расчетов в реальном времени.
Блок 11 - блок организации системного взаимодействия всех блоков.
При этом передача информации и управление осуществляются посредством шин 12, к которым подсоединены выходы блоков 2-10.
Блоки 2-10 и программное обеспечение, используемые в устройстве, являются стандартными и описаны в Lab VIEW SignalExpress National Instruments.
Сущность заявленного способа состоит в том, что синхронно измеряют, по крайней мере, одним средством измерения пространственных колебаний 1 три ортогональные проекции вектора ускорения, получают полный спектр амплитудно-частотной и фазовой информации о векторе деформационного состояния объекта мониторинга в измерительной точке и передают в блок 2 для обработки. Накапливают массив векторных величин деформаций в блоке 3. Накопленный массив векторных величин деформаций подвергают спектральной обработке и нормированию в блоке 4. Далее информация о массиве векторных величин деформаций поступает в блок 5, где осуществляют реконструкцию пространственно-временных эллиптических годографов, которые являются спектральными диагностическими параметрами, отражающими динамику изменения линейных размеров сплошной среды объекта мониторинга в измерительных точках.
Реконструируют проектную 3D-модель объекта мониторинга в блоке 6. В блоке 7 напряженно-деформированных соотношений через определяющие уравнения причинно-следственной связи параметров фундаментальных законов механики осуществляют синхронно с измерениями аналитический синтез 3D-суперпозиции спектра напряжений, обоснованный законами Гука и Пуассона для чувствительного элемента средства измерения пространственных колебаний, путем обратного тензорного преобразования D-суперпозиции спектра измерений деформаций измерительных точек.
Фундаментальные законы устанавливают взаимно однозначное соответствие между причиной в виде линейного или распределенного внешнего силового фактора - напряжения, воздействующего на объект исследований, и следствием в виде объемно-массово-распределенных в среде объекта мониторинга внутренних сил и упругих деформаций, образующих вместе Триаду факторов энергетической природы прочности.
При этом закон Гука устанавливает соответствие линейных напряжений а с нормальными деформациями растяжения-сжатия г в соответствии с законом Гука σ=εЕ, а закон Пуассона τ=γG устанавливает соответствие линейных деформаций γ с касательными деформациями сдвига τ. Оба эти закона, описывающие реальные физические процессы и имеющие в механике самостоятельное значение, опираются на фундаментальные законы и всеобщие принципы механики сплошных сред, в силу чего, а также с учетом принципов сплошности и суперпозиции распределение упругих деформаций под действием нормальных напряжений имеет в декартовых координатах непрерывное нормально-касательное пространственное распределение (фиг.1), две крайности которого и обнаружены в качестве законов Гука (нормальная плоскость σОε) и Пуассона (касательная, ортогональная к нормальной, плоскость σОτ).
Далее накапливают массив векторных величин напряжений и отображают на мониторе компьютера (в блоке 8) визуальный образ в виде пространственной трехмерной диаграммы физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, по которой осуществляют диагностику его напряженно-деформированного состояния.
Важным для достоверности визуального образа пространственных деформаций и его адекватности наблюдаемым процессам является системная синхронизация в реальном времени компонентов измеренных и реконструируемых параметров, которая происходит в блоках 10 и 11.
На диаграмме (фиг.1) физика напряженно-деформированного состояния объекта исследований отображена линейными участками упругих деформаций ОА и ОВ и участками упруго-пластических деформаций АС и ВН, при этом точки С и Н являются границей критических деформаций. Коэффициенты причинно-следственных преобразований отражают системный характер и связаны тензорно соответствующей тензору матрицей. Поэтому на основании измеренного адекватно природному синтезу спектрального множества компонентов векторов деформаций путем обратного физического тензорного преобразования с помощью средств измерений пространственных колебаний открылась объективная возможность достоверного векторно-фазового анализа и реконструкции расчетного спектрального множества компонентов векторов напряжений в обоснованно выбранных измерительных точках объема или контурной поверхности объекта мониторинга.
Векторно-фазовая 3D-реконструкция диагностических параметров в измерительных точках в реальном времени в области докритических состояний О-А-С-Н-В-О контурной поверхности объекта исследований позволяет с помощью известных компьютерных и графических методов анализировать отклонение текущего состояния от проектного. Например, точка Е находится в области упругого состояния, а точка N находится в области упруго-пластического состояния с определенным запасом относительно границы области критических состояний СН. Пространственно-временная реконструкция области докритических состояний О-А-С-Н-В-О для упрощения анализа может быть представлена визуально на дисплее (блок 8) или документирована (блок 9).
Каждой обмеренной или аппроксимированной точке контурной поверхности объекта мониторинга помимо общепринятых диагностических параметров каждому моменту времени на каждой частоте спектра однозначно соответствует конкретная точка на пространственной трехмерной диаграмме физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке. Эта диаграмма впервые представила законы Гука и Пуассона в связанном виде, что отражает природные закономерности механики прочности и объединяет нормальные напряжения с нормальными и касательными деформациями, которые, в свою очередь, являются фазовыми параметрами определяющих уравнений связи фундаментальных законов. Степень близости нахождения измерительной точки к границе области упруго-пластических деформаций позволяет судить о текущем уровне эксплуатационных ресурсно-прочностных показателей конструкционной прочности.
Данная диаграмма помимо представления в координатах get может быть представлена в любой совокупности физических параметров состояния объекта мониторинга.
Пример выполнения способа.
Одним из практических подтверждений эффективности заявленного способа является наблюдение динамики процесса изменения прочностных характеристик в процессе затвердевания композитного искусственного камня на основе цемента (бетона). Наибольшее распространение для этой цели получили косвенные методы - упругого отскока и ударно-импульсный. Принципиальная особенность указанных методов оценки прочностных свойств материалов заключается в том, что непосредственно измеряемой величиной является не прочность, а коррелированная с ней поверхностная твердость, связанная с прочностью тарировочной зависимостью. При этом величина прочности материала обратно пропорциональна упругому смещению частиц под влиянием гармонических воздействий. Ударно-импульсная экспресс-оценка прочности методом одноточечного тестирования классического модального анализа также является косвенной и никаких параметров, кроме среднестатистической твердости, в направлении отскока ударника не дает. Вибрационные методы, основанные на прямом измерении механических реакций на воздействия, до настоящего времени в строительстве практически не востребованы в связи с низкой информативностью и достоверностью получивших наибольшее распространение однокомпонентных датчиков вибрации. Предлагаемый способ с использованием средства измерения пространственных колебаний 1 не требует ударных воздействий и реализует прямое измерение диагностических параметров физического состояния, при этом в направлении возмущающего воздействия наблюдается очень высокая сходимость результатов измерения заявленным способом (фиг.4) и известными (косвенными способами) - фиг.3 (способ по прототипу) и фиг.5 (стандартный способ).
Сравнительные испытания подтвердили также возможность и целесообразность использования способа при исследовании динамики изменения прочности в процессе изготовления (затвердевания материала) и далее в процессе эксплуатационного мониторинга. Вследствие упругости среды от основной волны формируются волны и в других направлениях, в частности в плоскости X-Y, перпендикулярной направлению возмущающего воздействия. Колебания в плоскости X-Y зависят от упругих жесткостей материала среды: в процессе отверждения прочность возрастает и смещение - частиц уменьшается. Применение средства измерения пространственных колебаний 1 позволяет определять параметры не только продольных волн в направлении возмущающего воздействия Z, но и вести пространственный мониторинг упругих жесткостей в перпендикулярной воздействию сдвиговой плоскости X-Y, в главном направлении эксплуатационной конструкционной прочности объекта. При этом положение на пространственной трехмерной диаграмме физического состояния объекта мониторинга (фиг.1) измерительной точки Е (является асимптотой сигнала деформации Х во времени на графике измерения динамики смещения во времени, фиг.4) относительно границ областей упругих ОАВ, упруго-пластических АСНВ и предельных состояний СН позволяет в реальном времени и аргументированно судить о параметрах текущего ресурса конструкционной прочности. Это особенно актуально при строительстве и эксплуатации таких объектов высокой техногенной опасности, как фундаменты атомных станций, монорельсовые коммуникации, вантовые системы, взлетно-посадочные аэродромные полосы, пролетные строения, плотины, мосты, тоннели, опоры, подземные транспортные сооружения и все монолитные высотные конструкции.
Другим практическим подтверждением эффективности заявленного способа является возможность по точному определению пространственной ориентации вектора и величины абсолютной вибрации резко повысить достоверность определения корректирующих масс и их соответствие компенсируемой части распределенного дисбаланса валопровода. При этом тенденция смещения измерительной точки к началу координат на пространственной трехмерной диаграмме физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке свидетельствует о снижении дисбаланса в наблюдаемой плоскости коррекции. Балансировка шестиопорного валопровода энергетической GTU-100-3 мощностью 100 MWT заявленным способом позволила исходную вибрацию опор по всем направлениям измерения за одну итерацию снижать в 2-2,5 раза ниже нормативного уровня, допускаемого РТЕ и GOST 25364-98 для длительной эксплуатации, что исключало необходимость в корректировочных пусках, обычных для этого класса машин.
Способ также получил практическое подтверждение при реконструкции трехмерного образа физического состояния опор турбоагрегата Т-250/300-240 в измерительной точке. Помимо представления в традиционном виде (таблицы, спектральные характеристики и полярные диаграммы) впервые реализован новый вид представления вибрации - траектории движения (годографы) измерительных точек в проекции на ортогональные плоскости декартовых координат средства измерения пространственных колебаний 1. По параметрам проекций не представляет труда воспроизвести пространственный годограф измерительной точки - реконструкцию трехмерного образа физического состояния.
Анализ контурных характеристик конструкций и форм колебаний в штатных точках контроля абсолютной вибрации позволил наиболее полно и точно оценить текущее вибрационное состояние, проследить изменение измеряемых вибрационных характеристик (формы колебаний и траектории движения в плоскостях и пространстве) элементов конструкций, их реальное взаимодействие между собой, выявить ослабления в опорной конструкции турбоагрегата. На основании измеренных параметров определены соответствующие им аналитические параметры напряжений, однозначно характеризующие воздействия. Получены подтверждения преимущества векторного измерения для целей виброналадки, диагностики и балансировки силовых агрегатов теплоэнергетических объектов.
Технико-экономическими преимуществами заявленного способа по сравнению с прототипом являются повышение информативности и достоверности оценки физического состояния объектов мониторинга за счет реконструкции связанных во времени многомерных образов диагностических параметров физических состояний. Кроме того, заявленный способ впервые реализует инструментальную возможность отражения в реальном времени текущего ресурса конструкционной прочности объекта мониторинга.
Способ реконструкции трехмерного образа физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, включающий измерение посредством, по крайней мере, одного синхронно измеряющего три ортогональные проекции вектора ускорения средства измерения пространственной вибрации, получение полного спектра амплитудно-частотной и фазовой информации о векторе деформационного состояния объекта мониторинга в измерительной точке, накопление массива векторных величин деформаций и отображение на мониторе компьютера визуального образа пространственных деформаций в измерительных точках, отличающийся тем, что перед отображением на мониторе визуального образа информацию о спектре векторов деформаций вводят в блок напряженно-деформированных соотношений, где через определяющие уравнения причинно-следственной связи параметров фундаментальных законов механики осуществляют синхронно с измерениями аналитический синтез 3D-суперпозиции спектра напряжений, обоснованный законами Гука и Пуассона для чувствительного элемента средства измерения пространственных колебаний, путем обратного тензорного преобразования 3D-суперпозиции спектра измерений, накапливают массив векторных величин напряжений и отображают на мониторе компьютера визуальный образ в виде пространственной трехмерной диаграммы физического состояния объекта мониторинга в измерительной точке, по которой осуществляют диагностику его напряженно-деформированного состояния.
