专利名称：桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高耸结构工程领域，特别涉及桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统。
背景技术：
桅杆结构是一种通讯工程中传输信息常用的载体的支撑结构型式，在实际应用过 程中，所述桅杆结构会受到风力的长期作用，这种风力的动力荷载将引起桅杆结构拉耳节 点子结构累积疲劳裂纹的萌生，甚至造成桅杆结构的断裂倒塌。考虑到累积疲劳裂纹的萌 生是一种累积效应，桅杆结构拉耳节点子结构在累计疲劳裂纹萌生之前的整个时间段内是 没有任何征兆的，因此无法知道何时会产生累计疲劳裂纹，无法对累计疲劳裂纹(一种累 积疲劳损伤)进行预警与及时修复。因此，有必要提供一种桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统来 克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系 统，能在桅杆结构拉耳节点子结构完好时，及时地告知用户桅杆结构拉耳节点子结构危险 点位置的累积疲劳的程度及离累积疲劳裂纹萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警。为了实现上述目的，本发明提供了一种桅杆结构结构拉耳节点子结构风致累积疲 劳裂纹自诊断系统，包括位移测量仪、拉索索力确定模块、焊接残余应力确定模块、拉耳子 结构风致应力场确定模块、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块以及人机交互界面。所述位移 测量仪位于邻近桅杆结构处，用于测量桅杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响 应；所述拉索索力确定模块与所述位移测量仪连接，用于根据所述位移测量仪测量的桅杆 结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应以及各根拉索的等效非线性弹簧系数确定 桅杆结构各根拉索的瞬时索力时程响应；所述焊接残余应力确定模块用于确定桅杆结构拉 耳节点子结构与主桅杆竖杆焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场；所述拉 耳子结构风致应力场确定模块与所述拉索索力确定模块以及所述焊接残余应力确定模块 连接，用于根据桅杆结构拉耳节点子结构材料的弹塑性，将所述焊接残余应力确定模块确 定的焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场与所述拉索索力确定模块确定 的桅杆结构各根拉索的瞬时索力时程响应进行迭加，确定焊缝位置最危险点的风致动应力 场；所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块与所述拉耳子结构风致应力场获取模块连接，用 于根据所述拉耳子结构风致应力场确定模块确定的焊缝位置最危险点的风致动应力场并 依据累积疲劳裂纹萌生的临界面法，确定桅杆结构拉耳节点子结构焊缝位置最危险点的累 积疲劳程度；根据所述最危险点的累积疲劳程度分析所述桅杆结构拉耳节点子结构焊缝位 置最危险点与累积疲劳裂纹萌生之间的差距，对累积疲劳裂纹作出预警；所述人机交互界 面与所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块连接，用于向用户显示所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块分析的结果。在本发明的一个实施例中，所述系统还包括声发射传感器、应变传感器、疲劳裂纹 扩展确定模块以及极限裂纹长度和断裂分析模块。所述声发射传感器位于桅杆结构拉耳节 点子结构处，用于测量桅杆结构拉耳节点子结构的初始裂纹走向数据；所述应变传感器位 于桅杆结构拉耳节点子结构的关键点处，用于测量桅杆结构拉耳节点子结构的关键点的应 力；所述疲劳裂纹扩展确定模块与所述声发射传感器以及所述应变传感器连接，用于根据 所述声发射传感器测量的初始裂纹走向数据及所述应变传感器测量的关键点的应力，基于 裂纹长度与关键点应力关系模式库以及模糊模式识别方法，确定对应于桅杆结构拉耳节点 子结构的关键点的应力的裂纹扩展长度；所述极限裂纹长度和断裂分析模块与所述疲劳裂 纹扩展确定模块以及所述人机交互界面连接，用于根据桅杆结构拉耳节点子结构材料的断 裂韧性获取极限断裂裂纹长度，根据所述疲劳裂纹扩展确定模块确定的裂纹扩展长度以及 所述极限断裂裂纹长度分析桅杆结构拉耳节点子结构的疲劳裂纹与裂纹断裂之间的差距， 并将分析的结果发送至所述人机交互界面显示。在本发明的另一实施例中，所述系统还包括数据库，所述数据库与所述位移测量 仪、拉索索力确定模块、声发射传感器、应变传感器以及疲劳裂纹扩展确定模块连接，用于 存储所述位移测量仪测量的瞬时风致位移时程响应以及所述声发射传感器测量的初始裂 纹走向数据及所述应变传感器测量的关键点的应力。在本发明的再一实施例中，所述焊接残余应力确定模块包括焊接残余应力场计算 子模块、焊缝位置最危险点确定子模块以及部分消除焊接残余应力场确定子模块。所述焊 接残余应力场计算子模块用于根据桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆结构竖杆焊接的施 工工艺参数、焊接源的温度、桅杆结构拉耳节点子结构材料的热塑性参数和热线膨胀系数， 按施工次序计算桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆竖杆焊缝处的焊接残余应力场；所述焊 缝位置最危险点确定子模块与所述焊接残余应力场计算子模块连接，用于根据所述焊接残 余应力场计算子模块计算的焊接残余应力场以及基于等效应力最大原则确定焊缝位置最 危险点；所述部分消除焊接残余应力场确定子模块与所述焊缝位置最危险点确定子模块以 及所述拉耳子结构风致应力场确定模块连接，用于根据所述焊缝位置最危险点确定子模块 确定的焊缝位置最危险点并按施工工艺中消除焊接残余应力的工序，确定焊缝位置最危险 点处经部分消除后的焊接残余应力场。与现有技术相比，本发明桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统 能在桅杆结构拉耳节点子结构完好时，通过位移测量仪、拉索索力确定模块、焊接残余应力 确定模块、拉耳子结构风致应力场确定模块、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块及时地告知 用户桅杆结构拉耳节点子结构危险点位置的累积疲劳的程度及离累积疲劳裂纹(一种累 积疲劳损伤)萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警。另外，本系统在桅杆结构拉耳节点子结构累积疲劳裂纹已出现时，通过声发射传 感器、应变传感器、疲劳裂纹扩展确定模块以及极限裂纹长度和断裂分析模块及时告知累 积疲劳裂纹扩展的程度及离断裂(另一种累积疲劳损伤)还有多远，进而及时修复，保证桅 杆结构的安全。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统第一个实施例的结构框图。图Ia为图1所示桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统中焊接残余应力确定模块的详细结构框图。图2为本发明桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统第二个实施例的结构框图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。图1为本发明桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统第一个实 施例的结构框图。如图1所示，所述桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系 统包括位移测量仪110、数据库120、拉索索力确定模块130、焊接残余应力确定模块140、拉 耳子结构风致应力场确定模块150、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160以及人机交互界 面 170。所述位移测量仪110位于邻近桅杆结构处，用于根据照片图像识别原理测量桅杆 结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应。在本实施例中，所述位移测量仪110为基 于图像处理技术(CCD)的位移测量仪。所述数据库120存储所述位移测量仪110测量的桅 杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应。所述拉索索力确定模块130与所数据库120连接，用于根据所述数据库120中存 储的桅杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应以及各根拉索的等效非线性弹簧 系数确定桅杆结构各根拉索的瞬时索力时程响应。具体地，所述拉索索力确定模块130将 所述桅杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应(水平位移)分解得到拉索方向上 的分位移，将所述拉索方向上的分位移乘以各根拉索的等效非线性弹簧系数得到桅杆结构 各根拉索的瞬时索力时程响应(其中计入拉索的预张力)。所述焊接残余应力确定模块140用于确定桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆竖 杆焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场。其中，所述焊接残余应力确定模 块140包括焊接残余应力场计算子模块142、焊缝位置最危险点确定子模块143以及部分消 除焊接残余应力场确定子模块144。所述焊接残余应力场计算子模块142用于根据桅杆结构拉耳节点子结构与主桅 杆结构竖杆焊接的施工工艺参数、焊接源的温度、桅杆结构拉耳节点子结构材料的热塑性 参数和热线膨胀系数，按施工次序计算桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆竖杆焊缝处的焊 接残余应力场。所述焊缝位置最危险点确定子模块143与所述焊接残余应力场计算子模块142连 接，用于根据所述焊接残余应力场计算子模块计算的焊接残余应力场以及基于等效应力最 大原则确定焊缝位置最危险点。所述部分消除焊接残余应力场确定子模块144与所述焊缝位置最危险点确定子 模块143以及所述拉耳子结构风致应力场确定模块150连接，用于根据所述焊缝位置最危险点确定子模块确定的焊缝位置最危险点并按施工工艺中消除焊接残余应力的工序，确定 焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场。所述焊接残余应力场是多维的。所述拉耳子结构风致应力场确定模块150与所述拉索索力确定模块130以及所述 焊接残余应力确定模块140连接，用于基于桅杆结构拉耳节点子结构材料的弹塑性，将所 述焊接残余应力确定模块140确定的焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力 场作为初始应力场，迭加上拉索索力确定模块130确定的桅杆结构各根拉索的瞬时索力时 程响应，从而获取焊缝位置最危险点处的风致动应力场，根据桅杆结构拉耳节点子结构材 料的弹塑性，若焊缝位置最危险点的应变状态超过屈服应变状态，则在考虑桅杆结构拉耳 节点子结构材料的弹塑性的情况下计算焊缝位置最危险点处的风致动应力场。所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160与所述拉耳子结构风致应力场确定模块150连接，用于根据所述拉耳子结构风致应力场确定模块150获取的焊缝位置最危险点 的风致动应力场并依据累积疲劳裂纹萌生的临界面法，确定桅杆结构拉耳节点子结构最危 险点的累积疲劳程度；根据所述最危险点的累积疲劳程度分析所述桅杆结构拉耳节点子结 构焊缝位置最危险点离累积疲劳裂纹萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警。其中，所述 累积疲劳裂纹萌生的临界面法具体为搜索最危险点疲劳裂纹最可能出现的的临界面《最 大剪应变平面》，按双重雨流计数法计算临界面上等效应变的循环幅值，按多轴应变疲劳寿 命Manson-Conffin公式确定各幅值对应的疲劳寿命，依Miner线性累积损伤理论计算等效 应变的循环幅值对应的疲劳损伤程度。所述人机交互界面170与所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160连接，用于向 用户显示所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160分析的结果。由上可以看出，本实施例桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统 能在桅杆结构拉耳节点子结构完好时，通过位移测量仪110、数据库120、拉索索力确定模 块130、焊接残余应力确定模块140、拉耳子结构风致应力场确定模块150、疲劳裂纹萌生程 度实时分析模块160及时地告知用户桅杆结构拉耳节点子结构危险点位置的累积疲劳的 程度及离累积疲劳裂纹萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警。图2为本发明桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统第二个实 施例的结构框图。如图2所示，所述桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系 统包括位移测量仪110、拉索索力确定模块130、焊接残余应力确定模块140、拉耳子结构风 致应力场确定模块150、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160、人机交互界面170、声发射传 感器210、应变传感器220、疲劳裂纹扩展确定模块230以及极限裂纹长度和断裂分析模块 240。与实施例一相比，本实施例的位移测量仪110、拉索索力确定模块130、焊接残余应力 确定模块140、拉耳子结构风致应力场确定模块150、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块160、 人机交互界面170的连接关系和功能均与上述实施例一相同，因此下面仅说明声发射传感 器210、应变传感器220、疲劳裂纹扩展确定模块230以及极限裂纹长度和断裂分析模块 240。所述声发射传感器210，位于桅杆结构拉耳节点子结构处，用于测量桅杆结构拉耳 节点子结构的初始裂纹走向数据。所述数据库120存储所述声发射传感器210测量的桅杆 结构拉耳节点子结构的初始裂纹走向数据。所述应变传感器220位于桅杆结构拉耳节点子结构的关键点处，用于测量桅杆结构拉耳节点子结构的关键点的应力。所述数据库120存储所述应变传感器220测量的桅杆 结构拉耳节点子结构的关键点的应力。所述桅杆结构拉耳节点子结构的关键点为人为选择 的拉耳节点子结构上对裂纹扩展比较敏感的位置点。所述疲劳裂纹扩展确定模块230与所述数据库120连接，用于根据所述数据库120 存储的初始裂纹走向数据及关键点的应力，基于裂纹长度与关键点应力关系模式库以及模 糊模式识别方法，确定对应于桅杆结构拉耳节点子结构的关键点的应力的裂纹扩展长度。所述极限裂纹长度和断裂分析模块240与所述疲劳裂纹扩展确定模块230连接， 用于根据桅杆结构拉耳节点子结构材料的断裂韧性获取极限断裂裂纹长度，根据所述疲劳 裂纹扩展确定模块230确定的裂纹扩展长度以及所述极限断裂裂纹长度分析桅杆结构拉 耳节点子结构的疲劳裂纹离断裂有多远，并将分析的结果发送至所述人机交互界面170显
7J\ ο由上可知，本实施例桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统不仅 能在桅杆结构拉耳节点子结构完好时，通过位移测量仪110、拉索索力确定模块130、焊接 残余应力确定模块140、拉耳子结构风致应力场确定模块150、疲劳裂纹萌生程度实时分析 模块160及时地告知用户桅杆结构拉耳节点子结构危险点位置的累积疲劳的程度及离累 积疲劳裂纹萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警，同时能在桅杆结构拉耳节点子结构 累积疲劳裂纹已出现时，通过声发射传感器210、应变传感器220、疲劳裂纹扩展确定模块 230以及极限裂纹长度和断裂分析模块240及时告知累积疲劳裂纹扩展的程度及离断裂还 有多远，进而及时修复，保证桅杆结构的安全。以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
一种桅杆结构结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，包括位移测量仪，位于邻近桅杆结构处，用于测量桅杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应；拉索索力确定模块，与所述位移测量仪连接，用于根据所述位移测量仪测量的桅杆结构拉索所在节点层的瞬时风致位移时程响应以及各根拉索的等效非线性弹簧系数确定桅杆结构各根拉索的瞬时索力时程响应；焊接残余应力确定模块，用于确定桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆竖杆焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场；拉耳子结构风致应力场确定模块，与所述拉索索力确定模块以及所述焊接残余应力确定模块连接，用于根据桅杆结构拉耳节点子结构材料的弹塑性，将所述焊接残余应力确定模块确定的焊缝位置最危险点处经部分消除后的焊接残余应力场与所述拉索索力确定模块确定的桅杆结构各根拉索的瞬时索力时程响应进行迭加，确定焊缝位置最危险点处的风致动应力场；疲劳裂纹萌生程度实时分析模块，与所述拉耳子结构风致应力场确定模块连接，用于根据所述拉耳子结构风致应力场确定模块确定的焊缝位置最危险点的风致动应力场并依据累积疲劳裂纹萌生的临界面法，确定桅杆结构拉耳节点子结构焊缝位置最危险点的累积疲劳程度；根据所述最危险点的累积疲劳程度分析桅杆结构拉耳节点子结构焊缝位置最危险点与累积疲劳裂纹萌生之间的差距，对累积疲劳裂纹作出预警；以及人机交互界面，与所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块连接，用于向用户显示所述疲劳裂纹萌生程度实时分析模块分析的结果。
2.如权利要求1所述的桅杆结构结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统， 其特征在于，还包括声发射传感器，位于桅杆结构拉耳节点子结构处，用于测量桅杆结构拉耳节点子结构 的初始裂纹走向数据；应变传感器，位于桅杆结构拉耳节点子结构的关键点处，用于测量桅杆结构拉耳节点 子结构的关键点的应力；疲劳裂纹扩展确定模块，与所述声发射传感器以及所述应变传感器连接，用于根据所 述声发射传感器测量的初始裂纹走向数据及所述应变传感器测量的关键点的应力，基于裂 纹长度与关键点应力关系模式库以及模糊模式识别方法，确定对应于桅杆结构拉耳节点子 结构的关键点的应力的裂纹扩展长度；以及极限裂纹长度和断裂分析模块，与所述疲劳裂纹扩展确定模块以及所述人机交互界面 连接，用于根据桅杆结构拉耳节点子结构材料的断裂韧性获取极限断裂裂纹长度，根据所 述疲劳裂纹扩展确定模块确定的裂纹扩展长度以及所述极限断裂裂纹长度分析桅杆结构 拉耳节点子结构的疲劳裂纹与裂纹断裂之间的差距，并将分析的结果发送至所述人机交互 界面显示。
3.如权利要求2所述的桅杆结构结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统， 其特征在于，还包括数据库，与所述位移测量仪、拉索索力确定模块、声发射传感器、应变传感器以及疲劳裂纹扩展确定模块连接，用于存储所述位移测量仪测量的瞬时风致位移时程响应以及所述 声发射传感器测量的初始裂纹走向数据及所述应变传感器测量的关键点的应力。
4.如权利要求1所述的桅杆结构结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统， 其特征在于，所述焊接残余应力确定模块包括焊接残余应力场计算子模块，用于根据桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆结构竖杆 焊接的施工工艺参数、焊接源的温度、桅杆结构拉耳节点子结构材料的热塑性参数和热线 膨胀系数，按施工次序计算桅杆结构拉耳节点子结构与主桅杆竖杆焊缝处的焊接残余应力 场；焊缝位置最危险点确定子模块，与所述焊接残余应力场计算子模块连接，用于根据所 述焊接残余应力场计算子模块计算的焊接残余应力场以及基于等效应力最大原则确定焊 缝位置最危险点；部分消除焊接残余应力场确定子模块，与所述焊缝位置最危险点确定子模块以及所述 拉耳子结构风致应力场确定模块连接，用于根据所述焊缝位置最危险点确定子模块确定的 焊缝位置最危险点并按施工工艺中消除焊接残余应力的工序，确定焊缝位置最危险点处经 部分消除后的焊接残余应力场。
全文摘要
本发明公开了一种桅杆结构拉耳节点子结构风致累积疲劳损伤自诊断系统，该系统包括位移测量仪、拉索索力确定模块、焊接残余应力确定模块、拉耳子结构风致应力场确定模块、疲劳裂纹萌生程度实时分析模块以及人机交互界面，能在桅杆结构拉耳节点子结构完好时，及时地告知用户桅杆结构拉耳节点子结构危险点位置的累积疲劳的程度及离累积疲劳裂纹萌生还有多远，对累积疲劳裂纹作出预警。另外，本系统还包括声发射传感器、应变传感器、疲劳裂纹扩展确定模块以及极限裂纹长度和断裂分析模块，能在桅杆结构拉耳节点子结构累积疲劳裂纹已出现时，及时告知累积疲劳裂纹扩展的程度及离断裂还有多远，进而及时修复，保证桅杆结构的安全。
文档编号G01M99/00GK101825522SQ20101014134
公开日2010年9月8日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者查小鹏, 王文利, 瞿伟廉, 鲁丽君 申请人:武汉理工大学