对于比如建筑结构、飞行器、船舶等固定或者移动刚性结构进行实时监测的系统和方法 |
|||||||
| 申请号 | CN200880129334.1 | 申请日 | 2008-04-01 | 公开(公告)号 | CN102037341A | 公开(公告)日 | 2011-04-27 |
| 申请人 | 结构数据有限公司; | 发明人 | 路易斯·米格尔·马丁·卡夫拉尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于由于作用于所述结构的各种影响而对静态或移动结构上的扭曲进行连续监测的系统和方法，这些各种影响比如是 摩擦 力 、 载荷 产生的力、阻力等。施加于结构上的干扰会造成扭曲，所产生的扭曲可以通过使用扭曲 角 和扭转角来计算。当干扰在一段时间内作用于所述结构时，这些所测量的值可以由集成在系统中的处理器使用，该系统借助于数学分析确定比如阻力、疲劳、 加速 、弹性 势能 、力的方向、速度、弹性等所必需的参数，以确定所述结构的状态并且找出其有效寿命。所述系统和方法包括均一地或者以其它方式分布在待监测的结构中的多个倾角仪(2)、至少一个 陀螺仪 (3)和多个加速计(4)。这使所述结构被划分为多个部分，并且这些测量结果所反应的信息被传输到处理器(5)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于实时监测比如建筑结构、飞行器、船舶等固定或移动刚性结构的系统和方法，其中刚性结构受到扭曲力和扭转力，其中所述系统特征在于包括下面的元件： |
||||||
| 说明书全文 | 对于比如建筑结构、飞行器、船舶等固定或者移动刚性结构进行实时监测的系统和方法 技术领域背景技术[0002] 如说明书的题目中提到的，本发明的目的涉及一种允许测量对于动态结构的实时分析重要的参数的装置和方法，所述实时分析主要使用结构的弯曲角度(flection angle)和/或横向和纵向扭转角作为基本变量，这些角度也称为扭曲角和扭转角；即，横向或水平的扭曲角，所述结构被固定或者可移动；使用所述系统和方法，希望实时确定结构的状态的基本参数，比如阻力、疲劳、产生的扭曲、动能和势能、力矢量方向、速度、加速度等，以在动态监测所述结构之外，当特定参数接近最大扭曲值时作出决定并进行纠正，从而防止待监测的结构出现断裂。 [0003] 本发明的一个目的是以高精度发现结构的扭曲随时间推移而出现的进展和结果，这将使我们能够知道结构的有效寿命的时间段，另外还使我们能够知道结构的最敏感区域。 [0004] 本发明的另一个目的是提供可由结构的制造商和设计者使用的系统和方法，以在进行各种阻力测量时为各种应用开发出更为安全和更为可靠的构成元件或部件。 [0005] 提交日期为12/02/2002的西班牙专利第ES 2242474号公开了用于具有大的长度的部件的疲劳的测试系统，其特性在于具有c随时间而变化的力的激励器，该测试系统包括：两个压板(clamps)，所述两个压板适用于沿待测试的样品的任意位置；减速马达，所述减速马达能够提供必要的扭矩；和摆锤(pendulum)，用于通过添加或重置其中的重量而改变激励；用于通过将压板放置于不同的部分而改变待测试的样品的质量分布的装置，可以调整这些装置的重量是由于可以在其上放置配重；测试控制器，所述测试控制器包括减速马达、频率选择器和加速度计，所述减速马达、频率选择器和加速度计形成闭环系统，所述测试控制器还配备有用于实时比较数据读取的软件程序和数据记录系统。 [0006] 如可以看到的，为测量扭矩，该系统使用相当的力来模拟可随时间变化的力，并且使用摆锤使得通过读取布置于不同监测部分处的卡规来测量施加于叶片(blade)的整个长度上的弯曲力矩。该示例对于待设计的元件的校准具有很大的作用；在本发明的示例中，所述系统是组合了不同测量元件的系统，这些测量元件比如是陀螺仪、加速度计、倾角仪，所有这些测量元件连接到待监测的结构以进行“原位”测量并处理所述测量，从而通过使用扭曲角和扭转角，能够以高精度确定用于结构分析的必须的参数。 [0007] 专利WO 2008/003546公开了用于监测结构的组件的状态的方法，其中结构的图像通过光学传感器来产生；所述图像被传输到处理器并且将所述图像与参考图像进行比较；所获得的所述图像与参考图像之间的几何偏差使得可以确定结构所呈现出的扭曲。如能够看到的，该方法不允许进行直接的定量测量，而是对所获得的图像进行的比较。但是，该方法不如获得特征参数足够精确，所述特征参数比如在短的时间段内对扭曲角和扭转角的测量结果进行的高精度比较。 [0008] 英国国际优先权申请WO 2007/104915描述了用于通过延长部分监测结构的系统，与瑞利散射或拉曼效应相关地，在该申请中，所述系统包括：沿着所述结构收纳的光纤电缆；连接到所述光纤电缆并且用反向散射厚度计(backscattering thickness gauge)校准的系统。正如能够看到的，该申请呈现了不同的技术：使用光学装置来实现比较以允许它确定由于扭曲而产生的结构变化。 [0009] 美国国际优先权申请WO 2007/059026号提出了一种系统，该系统包括：一种结构，即从1到10的动态张力传感器，适用于监测沿着所述结构的长度的至少一点处的动态张力水平；和控制器，适用于随时间计算沿着所述结构的长度的多个点处的动态弯曲应力水平或应变水平。所述系统还包括连接到所述结构的若干容器，其中所述容器在水中漂浮。 [0010] 如在现有技术中能够看到的，通过图像比较或者通过电子和磁性部件，用于结构监测的大多数技术是基于光学部件的使用。不管所述结构被认为是固定的比如构造元件、桥、建筑，或者被认为是移动结构比如是船舶、飞行器、火车，在这些示例中，没有一种示例是对扭曲角和扭转角进行的实时测量；为此，本发明提出的系统和方法提供了一种技术，该技术的评定基于使用适当的部件所获得的准确和具体的计算来进行，而不管待监测的结构是静止的或是移动的。附图说明 [0011] 图1是实施方式的示例，其中示出了应用于飞行器的各种分离结构的系统的分解视图； [0012] 图2是一个示例，其中示出了应用于整个飞行器的完整的系统的视图； [0013] 图3是应用于船舶的一个实施方式的示例，其中示出了具有所述系统的元件的船舶的外观图； [0014] 图4是应用于船舶的一个实施方式的示例，其中示出了具有所述系统的各种元件的船舶的基部平面图； [0015] 图5示出了应用于船舶的示例的系统的透视图； [0016] 图6示出了由结构(1)示出的静态扭曲，其中可以观察到在优选的点处相对于切线的扭曲； [0017] 图7示出了结构(1)由于动态效应而产生的扭曲及相对于切线的新的扭曲角； [0018] 图8示出了当发生干扰时相应于倾角仪和相对于陀螺仪的扭曲惯性角； [0019] 图9示出了当发生干扰时的惯性孤的长度； [0020] 图10示出了在干扰之后发生的、倾角仪的臂的高度相对于其初始高度的变化； [0021] 图11示出了结构的相对于水平线的扭转角或者示出了扭转惯性角。 具体实施方式[0022] 本发明涉及用于由于作用于所述结构的各种影响而对静态或移动结构上的扭曲进行连续监测的系统和方法，这些各种影响比如是摩擦力、载荷产生的力、阻力等。施加于结构上的干扰会造成扭曲，所产生的扭曲可以通过使用扭曲角和扭转角来计算。当干扰在一段时间内作用于所述结构时，这些所测量的值可以由集成在系统中的处理器使用，该系统借助于数学分析确定比如阻力、疲劳、加速、弹性势能、力的方向、速度、弹性等所必需的参数，以确定所述结构的状态并且找出其有效寿命。 [0023] 本发明的系统包括多个容纳在结构(1)的本体中的倾角仪(2)，所述倾角仪优选地均一地分布。倾角仪(2)使得能够测量悬臂和横贯结构(1)的端部的垂线形成的角度(A)(图7、图8)。在有干扰对所述结构(1)施加应力的时刻，陀螺仪(3)使我们能够测量结构(1)与虚拟水平线(x-轴)形成的角度(D)(图8)。众所周知，结构(1)在干扰之前存在静态扭曲，如能够观察到的(图6)，其中结构(1)相对于端部切线处的静态扭曲角等效于陀螺仪(3)测量的角度。为此，扭曲之后的产生的角度(D)和角度(A)的总和使我们能够实现对由施加于所期望进行测量的点处的惯性产生的角度的测量。所述总和等效于由在进行测量的点处由切线相对于结构的扭曲面形成的角度，这是由于扭曲而具有最大弹性势能的角度(图8)。角度(D)准确地与结构(1)与水平线在扭曲时刻形成的角度相同。为此，我们使用陀螺仪(3)，该陀螺仪使用水平线作为其测量的基础。90度角与角度(A)和角度(D)所确定的角度总和之间的差值允许确定相对于虚拟水平线的角度(B)(图8)。由惯性产生的惯性孤(l)的长度(图10)可以通过使用臂的高度(h1)和惯性角(D+A)来确定。这些测量也允许计算当倾角仪的臂移动到高度(h2)时相对于倾角仪的初始高度(h1)的高度变化(Δh)，由此确定与干扰相关联的弹性势能。另一方面，关于臂的初始高度(h1)随时间的任意高度变化(Δh)，表明相对于初始状态(h1)存在由弯曲造成的扭曲(图10)。关于纵向变形(横向和/或水平方向)，使用了加速度计(4)的测量；在任何干扰之前，可以进行这些测量作为初始测量模式。当发生干扰时，加速度计(4)的相对位置改变，其中所述改变反映在结构(1)的长度和扭曲角度随时间的变化中。由于倾角仪(2)和加速度计(4)在整个结构(1)中受到干扰，这允许我们准确地确定结构中发生干扰的区域，由于系统的特性在于具有将数据传送至处理器(5)的部件，而该部件的特性在于借助于倾角仪(2)、陀螺仪(3)和加速度计(4)发出的数据而进行连续的时间测量和确定，所有这些都是实时测量，所有这些物理量是正确监测结构(1)所必需的，这些物理量是：疲劳、阻力、弹性势能、弹性、力的方向矢量、干扰速度、加速度等。该系统另外使得能够确定由于发生干扰时的扭转效应而可能发生的扭曲。通常，认为可以忽略扭转效应，但在一些情况中，特别是在惯常地移动的装置中，比如飞行器、船舶、火车等由于环境而受到不同的摩擦力的装置中，为了识别所述结构的显著的结构扭曲和可能的断裂，这些扭转效应会具有大的重要性。陀螺仪(3)确定相对于作为结构的横向方向的虚拟水平线(z-轴)的横向倾角(W)，并且倾角仪(2)测量相对于无干扰处的初始位置即相对于倾角仪的臂相对扭转的点处的法向的初始位置的横向倾角(Q)。角度(W)与角度(Q)的和(图11)表明由于扭转惯性产生的总的角度；很明显，通过该两个角度，确定了剩余的其它参数；这允许评价由于扭转造成的扭曲效应：疲劳、阻力、弹性、弹性势能、力矢量方向、速度等。 [0024] 本发明的系统和方法包括均一地或者以其它方式分布在待监测的结构中的多个倾角仪(2)、至少一个陀螺仪(3)和多个加速计(4)。这使所述结构被划分为多个部分，这样能够向我们表明可以观察到由各种扭曲造成的效应所在的区域。这些测量结果所反映的全部信息由处理器(5)处理，所述处理器(5)可以是具有连续时间测量特性的计算机；这使得能够绘出整个结构随时间的扭曲曲线图，由此以相当高的精度获得最终的疲劳和扭曲，以及对于结构研究重要的其它参数。 [0025] 所述系统用于启动及用以处理来自倾角仪(2)、陀螺仪(3)和加速度计(4)的信息所使用的方法包括：首先，将全部仪器设置成相同水平的一致性和皮重；即，以使装置不超过预设极限的方式设定装置(全部仪器)；因此，全部仪器必须显示相同的读数(或者依据一致性或者皮重的类型，显示结构的该部分的实际测量结果)；这将作为今后测量的基准点。在该点处，处理器(5)被激活，并在初始时间段内接收信息。当所述结构受到干扰时，倾角仪(2)显示臂相对于基准测量结果的倾角(A)的测量结果。该信息被传输到处理器(5)；同时，陀螺仪(3)显示相对于水平线的角度(D)的测量结果，该测量结果被传输到处理器(5)。另外同时，加速度计(4)测量它们相对于它们的初始位置的位移，并且所述测量结果被传输到处理器(5)。处理器(5)将通过将所测量的角度(A)和角度(D)相加确定总的扭曲角；处理器(5)将确定倾角仪(2)的臂所到达的高度(h2)，并且通过采用适当的方程将确定倾角仪(2)的臂的初始高度与最终高度之间的差值(Δh)。处理器(5)另外将确定加速度计(3)相对于它们的初始基准位置的纵向移动和角向移动，并且借助于适当的软件，处理器(5)将通过使用必需的力学方程确定对于计算非常重要的参数：疲劳、阻力、负载效应、弹性、弹性势能、速度、动能、机械能、力矢量方向、扭曲等，这些参数中每个参数由处理器(5)实时示出。所述处理器(5)将绘出由于扭曲效应形成的这些参数随时间的变化曲线。(在与该点处的惯性力矢量对应的角度D+A不垂直于确定由于扭曲造成的转角和/或惯性扭曲的Tg的情况下，所述校准以及由加速度计进行的校准也可以借助于惯性倾角仪和/或陀螺倾角仪进行。) [0026] 如上所述，所述系统的方法还包括作用于结构(1)的扭转效应；最初，倾角仪(2)和陀螺仪(3)等测量装置将处于初始基准点；陀螺仪(3)测量相对于沿结构(1)的横向方向的虚拟水平线的横向倾角(W)。该信息被传输到处理器(5)。同时，倾角仪(2)测量相对于无干扰时的初始位置的横向倾角(Q)；这是倾角仪的臂相对于扭转的点处的法向的初始位置。该信号被传输到处理器(5)。处理器(5)将角度(W)与角度(Q)相加，所得结果使处理器(5)能够借助于适当的软件通过力学方程进行计算操作，由此确定疲劳、阻力、负载效应、弹性、弹性势能、速度、动能、机械能、力矢量方向、扭曲等。由于在不同时间段内作用于所述结构的扭转效应，处理器(5)将用这些参数根据所述结构中的扭曲的时间来绘制比较曲线。(在与该点处的惯性力矢量对应的角度W+Q不垂直于确定由于扭转造成的转角和/或惯性扭曲的Tg的情况下，所述校准以及由加速度计进行的校准也可以借助于惯性倾角仪和/或陀螺倾角仪进行。) |
||||||
