專(zhuān)利名稱(chēng)：基于應(yīng)變測(cè)量的復(fù)合材料軸重稱(chēng)載荷識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種基于應(yīng)變測(cè)量的復(fù)合材料軸重稱(chēng)載荷識(shí)別方法。
(二)
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)受到載荷作用的直接結(jié)果就是產(chǎn)生變形，當(dāng)這種變形在 一定限定范圍 內(nèi)時(shí)，就可以將變形量作為衡量載荷的參數(shù)。結(jié)構(gòu)應(yīng)變是一種容易測(cè)量量，通 過(guò)對(duì)稱(chēng)體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)變測(cè)量，根據(jù)力學(xué)模型反算出載荷的位置及大小， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸重稱(chēng)的稱(chēng)量功能。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)一種基于應(yīng)變測(cè)量的復(fù)合材料軸重稱(chēng)載荷識(shí)別方法，其特征 為 一個(gè)軸重稱(chēng)由兩塊復(fù)合材料稱(chēng)體組成，兩個(gè)稱(chēng)體對(duì)汽車(chē)車(chē)輪載荷的測(cè)量是
同時(shí)進(jìn)行的；每個(gè)稱(chēng)體通過(guò)三個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)變形，三個(gè)傳感器等間距 布置，間距需大于載重汽車(chē)輪胎的輪輻寬度；通過(guò)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果反算載荷位置 及大小，反算載荷大小是建立在簡(jiǎn)直梁力學(xué)模型基礎(chǔ)上的，反算載荷位置是反 算載荷大小的基礎(chǔ)，判斷出位置后，才能依據(jù)簡(jiǎn)直梁模型中，不同位置的計(jì)算 公式，反算載荷。
(四)


圖1為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置1受力分析圖之1; 圖2為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置1受力分析圖之2; 圖3為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置1受力分析圖之3; 圖4為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置2受力分析圖之1; 圖5為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置2受力分析圖之2; 圖6為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置2受力分析圖之3;
圖7為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置3受力分析圖之1;
圖8為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置3受力分析圖之2; 圖9為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載位置3受力分析圖之3; 圖IO為均布載荷向集中載荷的等效受力分析圖11為當(dāng)& > A并且^ > &時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖A ;
圖12為當(dāng)&^并且S2〉e3時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖B; 圖13為當(dāng)^^并且^^時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖C; 圖14為當(dāng)A〉^〉^時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖A; 圖15為當(dāng)6>&2>￡3時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖B;; 圖16為當(dāng)^>&>&時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖C;;圖17為當(dāng)&>^>^時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖A; 圖18為當(dāng)^>&、時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖B; 圖19為當(dāng)&〉^、時(shí)，車(chē)輪位置判斷分析圖C。 具體實(shí)施方式
從應(yīng)變反算載荷
根據(jù)FBG傳感器通過(guò)加載到傳力結(jié)構(gòu)上達(dá)到對(duì)外部壓力的感應(yīng)和測(cè)量的原 理，當(dāng)縱向分布載荷力作用于碳纖維復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)時(shí)，由純彎曲理論知梁的 彎曲變成了對(duì)FBG傳感器的橫向拉伸力，這種橫向拉伸力稱(chēng)之為橫向力。在工 程實(shí)際中，受彎構(gòu)件的特點(diǎn)是承受垂直于其軸線(xiàn)的外力，或在其軸線(xiàn)平面內(nèi)作 用有外力偶矩。受力后直的軸線(xiàn)變成了曲線(xiàn)，這種變形稱(chēng)為彎曲變形。為推導(dǎo) 載荷識(shí)別算法，將稱(chēng)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，其一端為固定鉸支約束，另一端為 可動(dòng)4交支約束。
由于載荷的變化及傳感器位置的影響，整個(gè)梁上各截面的剪力和彎矩有時(shí) 不能由一個(gè)函數(shù)描述，這樣就要分情況加以考慮。為了計(jì)算載荷大小首先粘貼 兩個(gè)FBG傳感器，假設(shè)簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)為1,以簡(jiǎn)支梁的固定鉸支端為坐標(biāo)原點(diǎn)，兩個(gè) 傳感器距坐標(biāo)原點(diǎn)分別為xl和x2,其中(xl〈x2),載荷F的加載位置為x。根 據(jù)載荷的變化及傳感器鋪i殳位置，將分以下三種情況考慮。
1)載荷F加載到兩個(gè)傳感器之間(xl < x < x2)
簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)和載荷F的加載位置及受力分析如圖1所示。
由材料力學(xué)知，支反力為
尸
(2)
分段列剪力方程和彎矩方程，AC段
<formula>formula see original document page 4</formula>乂)
CB段<formula>formula see original document page 5</formula>
式中『—抗彎截面系數(shù)； M-彎矩。
將式(4)和(6)分別代入式(7)得:
f2(X2)=^M=￡z^2xF 2 2, 麵
(X, <;v <x2)
載荷F加載到兩個(gè)傳感器左端(x < xl < x2) 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)和載荷F的加載位置及受力分析如圖2所示< 由材料力學(xué)知，分段列剪力方程和彎矩方程，AC段
(8)
(0<x<x》
(9)
(10)
CB段:
O < x2 < /)
(11)
(12)
將式(10)和(12)分別代入式(7)得:
1 1 , ,
2 2, ,/
(13)載荷F加載到兩個(gè)傳感器右端(xl < x2 < x) 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)和載荷F的加載位置及受力分析如圖3所示, 由材料力學(xué)知，分段列剪力方程和彎矩方程，AC段
胸一，
(0 < a < x)
(14)
(0 2 & S x)
(15)
CB段:
(JC2 < X < /)
(16)
^") = ^(/-A)尸
將式(15)和(17)分別代入式(7)得:
<formula>formula see original document page 6</formula>(17)
<formula>formula see original document page 6</formula>(18)
由式18、 13、 18組成的公式組，構(gòu)成了由傳感器應(yīng)變反算載荷的重要依據(jù)。 從這些公式的特點(diǎn)可以看出，當(dāng)載荷加載位置固定時(shí)(x為常量)，應(yīng)變與載荷 呈線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)載荷一定時(shí)(F為常量)，加載位置x亦與應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變呈 線(xiàn)性關(guān)系。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，承重結(jié)構(gòu)受到的力并不是集中力，而是小面積的均布 力，當(dāng)這個(gè)小面積的均布力可以看作由n個(gè)集中力組成，如圖4所示，在計(jì)算 中需要將公式進(jìn)一步修正，公式8修正為
<formula>formula see original document page 6</formula>(19)
其中d為輪胎接地面的寬度，不同的車(chē)輛d值有一定差異，這里d作為常 量掌握， 一般d值取200隱。同理，式13可以修正為s202)=
X!尸
x + O + ~^~) +…(x + <i)
w脂
n-l
M — l
(x"!"2) (20)
式18可以〗務(wù)正為
￡2(-2)
_ (/ — x2)F
(/ — X) + (/ — X -
歸
(/ — X) + (/ — X--) +…(/ — x — d)
w — l
(X, < x2 <力 (21)
將公式19、 20、 21進(jìn)一步整理分別得到式22、 23、 24:
2
歸
x + -
< X < X2 )
(22)
x,i7卩 t/ ,( 2
(x <不<x2)
(23)
麵
《2(兀2)=
(,-;c)」 2
(x< x2 < X)
(24)
從這三個(gè)公式可以看出，梁結(jié)構(gòu)上加載的均布力與應(yīng)變是一個(gè)s=(kx+b)F 的線(xiàn)性函數(shù)，當(dāng)確定加載位置后，只要獲得一個(gè)傳感器的應(yīng)變值就可以計(jì)算出 所加載荷F;或者獲得兩個(gè)傳感器的應(yīng)變值就可以才艮據(jù)方程組分別計(jì)算出加載位 置x及載荷大小F。這個(gè)線(xiàn)性函數(shù)中的斜率k，是一個(gè)與加載位置呈線(xiàn)性關(guān)系的 函數(shù)，通過(guò)一定的靜力實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的系統(tǒng)參數(shù)值會(huì)更真實(shí)，更實(shí)用，因此對(duì) 稱(chēng)體首先開(kāi)展靜力實(shí)驗(yàn)，以獲得稱(chēng)體的準(zhǔn)確固有參數(shù)。
2、載荷位置識(shí)別
由于載荷作用的位置不同，載荷反算的公式是不同的，這就要求在傳感器 采集到數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要通過(guò)載荷識(shí)別手段迅速確定車(chē)輪的位置，才能進(jìn)行準(zhǔn) 確稱(chēng)重。如圖5所示為一個(gè)安裝有三個(gè)傳感器的稱(chēng)重體，當(dāng)f2〉A(chǔ)并且^〉A(chǔ)時(shí)， 車(chē)輪的位置有圖中所(a )示的三種位置情況，這三種位置都位于1號(hào)和3號(hào)傳 感器之間，可以利用1號(hào)和3號(hào)傳感器測(cè)量值使用公式( )進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)&>&>^時(shí)，車(chē)輪的位置有圖中(b)所示的三種位置情況，這三種位置都位于
2號(hào)和3號(hào)傳感器的左側(cè)，可以利用2號(hào)和3號(hào)傳感器測(cè)量值使用公式2-20進(jìn) 行計(jì)算；當(dāng)&>^2>&時(shí)，車(chē)輪的位置有圖中(c)所示的三種位置情況，這三種 位置都位于1號(hào)和2號(hào)傳感器的右側(cè)，可以利用1號(hào)和2號(hào)傳感器測(cè)量值使用 公式(21)進(jìn)行計(jì)算。
當(dāng)載荷的大小及載荷的位置通過(guò)識(shí)別方法確定以后，左右兩個(gè)稱(chēng)體載荷大 小之和即形成該軸軸重；兩個(gè)載荷位置可以確定兩輪的中心距離。有了這些參 數(shù)后再根據(jù)傳感器的響應(yīng)情況計(jì)算出車(chē)速、軸數(shù)及總重，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛多個(gè)參數(shù) 的識(shí)別。
權(quán)利要求
1.一種基于應(yīng)變測(cè)量的復(fù)合材料軸重稱(chēng)載荷識(shí)別方法，其特征為一個(gè)軸重稱(chēng)由兩塊復(fù)合材料稱(chēng)體組成，兩個(gè)稱(chēng)體對(duì)汽車(chē)車(chē)輪載荷的測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的；每個(gè)稱(chēng)體通過(guò)三個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)變形，三個(gè)傳感器等間距布置，間距需大于載重汽車(chē)輪胎的輪輻寬度；通過(guò)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果反算載荷位置及大小，反算載荷大小是建立在簡(jiǎn)直梁力學(xué)模型基礎(chǔ)上的，反算載荷位置是反算載荷大小的基礎(chǔ)，判斷出位置后，依據(jù)簡(jiǎn)直梁模型中，不同位置的計(jì)算公式，反算載荷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軸重稱(chēng)載荷識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)筋上應(yīng)變的直接測(cè)量及其載荷識(shí)別算法，可以獲得車(chē)輛的軸重、位置、輪距等特征信息。其特征為一個(gè)軸重稱(chēng)由兩塊復(fù)合材料稱(chēng)體組成，兩個(gè)稱(chēng)體對(duì)汽車(chē)車(chē)輪載荷的測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的；每個(gè)稱(chēng)體通過(guò)三個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)變形，三個(gè)傳感器等間距布置，間距需大于載重汽車(chē)輪胎的輪輻寬度；通過(guò)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果反算載荷位置及大小，反算載荷大小是建立在簡(jiǎn)直梁力學(xué)模型基礎(chǔ)上的，反算載荷位置是反算載荷大小的基礎(chǔ)，判斷出位置后，依據(jù)簡(jiǎn)直梁模型中，不同位置的計(jì)算公式，反算載荷。
文檔編號(hào)G01G3/00GK101619999SQ20091007263
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者東 于, 彭 姜, 孫新楊, 張博明, 仲 楊, 莫淑華, 琳 趙, 金龍學(xué) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)