高速撞击机械系统内部裂纹故障的建模与诊断方法研究

摘要

高速撞击机械系统在机械工程、特别是在国防科工领域十分常见。由于其机构部件在工作过程中伴随着高速的撞击，很容易出现裂纹故障。这些裂纹故障若不能被即时地发现，可能会在毫无征兆的情况下发生失稳扩展，引发脆性断裂，严重影响系统运行的可靠性，并可能造成安全事故。因此，对此类机械系统微弱的裂纹故障进行精确地诊断，在工程上具有重要意义。但另一方面，此类机械系统的裂纹故障经常出现在系统内部或做高速运动的部件上，要对它们的动态响应进行直接地测试十分困难，这又增加了此类系统裂纹故障诊断的难度。 本文针对高速撞击机械系统裂纹故障的诊断问题，以此类系统的典型代表—XXX型高射机枪—为具体的研究对象，对此类系统的建模方法和诊断方法进行了研究，其中前者是为后者服务的。对建模方法的研究包括系统级的建模方法和部件级的建模方法这两个方面。对诊断方法的研究主要聚焦于多分形特征的有效提取和对所提取到的特征的有效利用。本文的具体研究工作如下：(1)基于Modelica语言和微分代数方程组理论，在MapleSim环境中对XXX型高射机枪进行了系统级的建模和仿真，得到了XXX型高射机枪的各个部件在其射击方向上的运动规律。(2)应用弹性动力学中的弹性波和强间断扰动线理论，建立了含裂纹弹性杆共轴撞击的一维动力学模型，并编写了相应的MATLAB仿真程序。经过仿真计算，得到了运动部件上裂纹的位置、深度和宽度对被撞杆件动态响应的影响规律。通过与专业有限元仿真软件MSC.Dytran仿真结果的对比，体现了此建模和仿真方法在模拟此类问题时，相较于有限元模型明显的优越性。(3)在XXX型高射机枪自动机闭锁机构上设置了3种比较微弱的裂纹故障，并分别对不同故障状态下的XXX型高射机枪进行了多次的实弹射击，采集到了射击过程中枪身上两个测点和枪架上一个测点、每个测点各3个正交方向上的振动响应信号。给出了通过对原始测试信号进行截取、降采样或低通滤波等预处理来形成原始数据样本的方法。形成了供后续对诊断方法的研究中使用的实测样本信号。(4)对多分形分析的基本理论和基于小波领袖或p领袖的多分形分析方法进行了系统地整理，提出了利用形态曲线拟合来从多分形谱获取多分形特征量的方法，提出了通过搭建时频相干网络来提取同步采样振动信号的时频相干多分形特征的方法。(5)通过一个涉及13种降维方法的基准测试，给出了针对给定的原始特征样本来选择最佳的特征融合方法，并确定此特征融合方法和智能分类器的最优参数的通用方案。 本文对XXX型高射机枪的系统建模和仿真过程中，解决了许多典型的关键问题，可为其它机械系统的建模和仿真提供参考。Modelica建模语言和MapleSim建模仿真环境的引入，为大型复杂机械系统的建模和仿真分析提供了新的技术手段。本文提出的对含裂纹弹性杆共轴撞击进行建模和仿真的方法，相较于有限元方法具有绝对的优势，不仅计算量极低，而且结果为理论解，为构件撞击过程中裂纹信息传递机理的研究提供了新的有效手段。本文机枪实验中的故障、测点、采样等实验参数设置和对原始信号的截取、降采样、低通滤波等信号预处理操作，可为其它机械系统的实验研究提供参考。本文对多分形分析的基本理论和基于小波领袖或p领袖的多分形分析方法的整理，可为相关的理论和方法研究提供便利。基于小波领袖或p领袖的多分形分析方法的引入，为原始数据的多分形分析提供了有效的技术手段。本文所提出的从多分形谱提取多分形特征量的方法和提取同步采样振动信号时频相干多分形特征的技术，为有效利用多分形分析的结果提供了新的手段和思路。本文提出的用于选择最佳特征融合方法并确定此方法和智能分类器的最优参数的通用方案，为有效利用原始特征样本提供了基本的操作流程，有利于提高智能诊断技术的预测正确率。

目录

声明

第一章 引言

1.1 需求分析

1.2 研究对象

1.3 研究目的

1.4 研究内容

1.4.1 高速撞击机械系统的系统级建模与仿真研究

1.4.2 基于弹性波和强间断扰动线理论的含裂纹撞击构件的建模与仿真方法研究

1.4.3 基于小波领袖和p领袖的振动信号多分形特征提取方法研究

1.4.4 关于智能算法的类型和参数的最优选配方案研究

1.5 技术路线

1.6 研究意义

1.7 国内外的相关文献综述

1.7.1 机械系统的系统级建模与分析方法研究

1.7.2 裂纹的建模与分析方法研究

1.7.3 基于振动测试信号的裂纹检测与诊断方法研究

1.8 章节安排

第二章 高速撞击机械系统的系统级建模与仿真方法研究

2.1 引言

2.2 基本理论与工具

2.2.1 Modelica建模语言及Modelica模型库

2.2.2 微分代数方程组

2.2.3 MapleSim建模仿真环境

2.3 整枪动力系统模型的建立

2.3.1 枪架的动力学等效

2.3.2 部件间撞击的模拟

2.3.3 部件间摩擦的模拟

2.3.4 自定义的可变长度杆

2.3.5 自定义的长度受限预压缩弹簧

2.3.6 记录某事件是否已发生的子系统

2.3.7 枪膛压强的建模

2.3.8 气室压强的建模

2.3.9 弹丸与枪膛间摩擦的处理

2.3.10 枪架、枪身、枪机、机框的建模与连接

2.3.11 子弹的建模

2.3.12 仿真的起始状态与结束条件

2.3.13 整枪的动力系统模型

2.4 仿真结果

2.5 讨论

2.6 小结

第三章 基于弹性波和强间断扰动线理论的含裂纹撞击构件的建模与仿真方法

3.1 引言

3.2 相关的弹性动力学基础

3.2.1 Lagrange描述与Euler描述

3.2.2 三种微商与两种波速

3.2.3 两个基本假定

3.2.4 杆中纵波控制方程的物质坐标描述

3.2.5 杆中纵波控制方程的空间坐标描述

3.2.6 强间断与弱间断

3.2.7 间断面上的守恒条件

3.3 建模中几个关键问题的解决方案

3.3.1 两等截面弹性杆的共轴撞击

3.3.2 弹性波在自由端和固定端的反射

3.3.3 弹性波在变截面杆中的反射和透射

3.3.4 变截面杆初始扰动的计算

3.3.5 弹性杆的撞击分离条件

3.4 含裂纹弹性杆共轴撞击模型的建立与仿真

3.4.1 建模原由与模型结构

3.4.2 仿真参数设置

3.4.3 仿真结果与讨论

3.5 与有限元仿真结果的对比

3.5.1 有限元建模与仿真环境

3.5.2 有限元建模与仿真设置

3.5.3 仿真结果的对比

3.6 小结

第四章 机枪射击实验、振动信号的测试与预处理

4.1 引言

4.2 射击实验与振动测试

4.2.1 实验对象

4.2.2 故障设置

4.2.3 实验台与测试设备

4.2.4 传感器布置与采样设置

4.2.5 测试样本的设置

4.3 信号的预处理

4.3.1 样本信号的截取

4.3.2 样本信号的降采样

4.3.3 样本信号的低通滤波

4.4 小结

第五章 基于小波领袖和p领袖的振动信号多分形特征提取方法研究

5.1 引言

5.2 多分形分析的基本概念

5.2.1 多分形谱的广义定义

5.2.2 Hausdorff 维数的定义

5.2.3 单点H?lder指数的定义

5.2.4 单点p指数的定义

5.3.1 离散小波变换的定义

5.3.2 小波结构函数和小波相似函数

5.3.3 p领袖与小波领袖

5.4.1 p领袖定义的奇异指数

5.4.2 多分形p谱的一般定义

5.4.3 由p领袖定义的多分形p谱

5.4.4 对数累积量（log-cumulants）

5.5.1 采用受限形式的原因

5.5.2 受限形式的多分形分析公式

5.5.3 几个重要的估计量

5.6 从多分形谱提取多分形特征的形态曲线拟合方法

5.7 同步采样振动信号的时频相干多分形特征提取方法

5.7.1 同步采样振动信号

5.7.2 结构变形与振动信号对的对应关系

5.7.3 交叉小波变换与时频相干谱

5.7.4 关于时频相干谱的对称性和传递性

5.7.5 时频相干网络的搭建及其多分形特征提取

5.7.6 XXX型高射机枪的时频相干多分形特征提取

5.8 小结

第六章 一种通用的关于智能算法的类型和参数的最优选配方案

6.1 引言

6.2 信息融合方法概述

6.3 特征级融合方法概述

6.4 基准测试的设置

6.4.1 原始特征样本的设置

6.4.2 特征融合方法的设置

6.4.3 智能分类器的设置

6.4.4 交叉验证方法的设置

6.5 基准测试的结果与讨论

6.6 小结

第七章 总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢