結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)新型多路故障檢測(cè)箱設(shè)計(jì)

趙嬋

摘 要：在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)件的邊界需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此在試驗(yàn)件位移較大的部位安裝限位開(kāi)關(guān)，對(duì)試驗(yàn)件在整個(gè)周期的加載過(guò)程中進(jìn)行位移限制保護(hù)。對(duì)于大結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，其監(jiān)測(cè)通道越來(lái)越多，以往的診斷箱集成度低無(wú)法滿足要求。基于此，研發(fā)了新型故障診斷箱，將多通道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效集成，此外，還對(duì)故障診斷箱的振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并給出了設(shè)計(jì)改進(jìn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：故障監(jiān)測(cè)；隨機(jī)振動(dòng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0094-02

Abstract： In the process of structural strength fatigue test， the boundary of the test piece needs to be monitored in real time， so the displacement limiting switch is installed in the part of the large displacement of the test piece to carry out displacement limiting protection during the whole loading period of the test piece. For large structure test pieces， there are more and more monitoring channels， and the low integration of the previous diagnostic box can not meet the requirements. Based on this， a new type of fault diagnosis box is developed， which effectively integrates multi-channel monitoring data. In addition， the vibration strength of the fault diagnosis box is analyzed， and some suggestions for design improvement are given.

Keywords： fault monitoring； random vibration； optimal design； structural analysis

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，自動(dòng)化和智能化設(shè)備在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用并不斷升級(jí)。尤其在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)使疲勞試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求不僅僅是功能實(shí)現(xiàn)，在如何提高效率，提高精度方面也是設(shè)計(jì)者需要考慮的重點(diǎn)指標(biāo)。

目前已有的多路故障檢測(cè)箱通道在集成度、響應(yīng)速度等方面均不能滿足試驗(yàn)需求，需要新型的多路故障檢測(cè)箱為試驗(yàn)控制工程師提供實(shí)時(shí)的預(yù)警機(jī)制，有效控制試驗(yàn)異常發(fā)生。為此本文設(shè)計(jì)了一種新型多路故障檢測(cè)箱。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

新型多路故障檢測(cè)箱電路圖如圖1所示。擴(kuò)展通道為單機(jī)32通道，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電器元件布局進(jìn)行了反復(fù)修改，節(jié)省了空間，有利于設(shè)備散熱，每個(gè)通道設(shè)計(jì)了自鎖功能，有助于故障發(fā)生時(shí)控制工程師及時(shí)定位故障點(diǎn)。

電路設(shè)計(jì)完成后，在電路的接口增加了單片機(jī)監(jiān)測(cè)單元，以單片機(jī)為核心對(duì)故障信號(hào)的發(fā)生情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并同時(shí)在程序內(nèi)設(shè)置提示信息，當(dāng)對(duì)應(yīng)通道故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)調(diào)用相應(yīng)信息并顯示在對(duì)應(yīng)面板。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型多路故障檢測(cè)箱外形如圖2所示。前面板設(shè)計(jì)主要包括單通道工作指示燈，單通道故障指示燈，電源指示燈，故障提示燈。電壓面板顯示，主要對(duì)工作電路的電壓供電進(jìn)行檢測(cè)。智能監(jiān)控面板以單片機(jī)為處理器核心單元，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行評(píng)估之后，以LED顯示在面板，提示控制系統(tǒng)工程師故障空間位置及具體信息。這些信息在設(shè)備安裝之前設(shè)置完成。后面板設(shè)計(jì)包括在箱體上部開(kāi)口布置32檢測(cè)通道，并配備一定功率的降溫風(fēng)扇，在后面板設(shè)置出風(fēng)口，面板右下角是電源插槽開(kāi)口，以上開(kāi)口尺寸以設(shè)計(jì)電路的電器元件實(shí)際尺寸為依據(jù)，設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)箱體的重量也進(jìn)行了相應(yīng)的控制，改變以往箱體笨重，移動(dòng)安裝困難的窘境。同時(shí)根據(jù)疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素，要求控制箱體具有較強(qiáng)的抗振動(dòng)能力，并設(shè)計(jì)一定的抗振動(dòng)功能。所以要對(duì)箱體進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。

3 振動(dòng)分析

3.1 模型建立

采用殼元建立新型多路故障檢測(cè)箱有限元模型。按照各部件厚度和實(shí)際位置附屬性，如圖3所示。有限元模型共4868個(gè)單元，4772個(gè)結(jié)點(diǎn)。為方便單位換算計(jì)算過(guò)程采用通用單位。

3.2 邊界條件

考慮到箱體遭遇隨機(jī)振動(dòng)影響，在箱體的底部與振動(dòng)源接觸的地方設(shè)計(jì)了隔振裝置，在模型中以彈性元模擬隔振器，在四個(gè)底座處施加邊界條件，計(jì)算振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，約束其他方向自由度，該方向不施加約束。載荷施加以所預(yù)期的最大振動(dòng)量值為計(jì)算輸入條件。隔振器參數(shù)采用軸向剛度580N/mm，徑向剛度396N/mm，阻尼比0.48。

4 仿真結(jié)果

4.1 應(yīng)力云圖

從仿真結(jié)果導(dǎo)出應(yīng)力云圖如圖4所示，從應(yīng)力云圖可以看出，新型多路故障檢測(cè)箱隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果，其應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力約為107MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在隔振器連接位置，該區(qū)域應(yīng)力分布容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，所以設(shè)備整體應(yīng)力水平不大，在該輸入隨機(jī)振動(dòng)載荷譜情況下滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4.2 改進(jìn)方案

在同等輸入條件下，要改變隔振器連接位置的應(yīng)力水平，建議在該區(qū)域進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，此外，分析過(guò)程中沒(méi)有搭載箱內(nèi)電路板以及設(shè)備重量，建議電路板連接的主要區(qū)域進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，不同承載區(qū)域進(jìn)行材料區(qū)分，頂蓋承載較小建議采用密度更輕的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度條件下使設(shè)備重量達(dá)到最小。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了新型多路故障檢測(cè)箱，在設(shè)計(jì)階段對(duì)以往設(shè)備電路進(jìn)行了智能升級(jí)，提高了設(shè)備的集成度，使檢測(cè)更迅速、更直觀。并根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)振動(dòng)預(yù)期的最大振動(dòng)量值進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，給出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于提高新結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)故障檢測(cè)水平以及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，具有重要意義，從設(shè)備研發(fā)階段著手，進(jìn)一步降低了疲勞試驗(yàn)的運(yùn)維成本。不過(guò)本文是設(shè)備研發(fā)初始階段的有效嘗試，后續(xù)將對(duì)設(shè)備全生命周期進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，使設(shè)備性能以及各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，并不斷配合設(shè)備的升級(jí)換代，對(duì)未來(lái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，尤其是疲勞試驗(yàn)起到保駕護(hù)航的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳毅靜.測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)導(dǎo)論（第2版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2014.

[2]（美）舍茨，（美）莫克.實(shí)用電子元器件與電路基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]莊表中.結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[4]張玉梅，韓增堯，鄒元杰.隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法綜述[J].力學(xué)進(jìn)展，2012，42（4）：464-471.

[5]史紅梅.測(cè)控電路及應(yīng)用[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[6]楊斌.電子設(shè)備的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析[J].電子工藝技術(shù)，2013，34（5）：299-302.