一种波纹膨胀节剩余寿命监测方法和相关装置

技术领域

本发明涉及机械部件测试装置的领域，尤其是涉及一种波纹膨胀节剩余寿命监测方法和相关装置。

背景技术

目前在很多工业管路、容器的接头处会进行波纹膨胀节的设置，利用波纹结构的有效伸缩变形，以吸收管路、容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化，并补偿轴向、横向和角向位移，能够有效的防止管路、容器变形。

目前的金属波纹膨胀节通用技术条件GB12777-2019中，在设计时仅仅只考虑其低循环疲劳失效。但在轴流压缩机试验时，管路内部介质温度高(300℃-600℃)、压力高(1MPa.a-10MPa.a)、流速大(100m/s-400m/s)，局部流速可达500m/s。波纹膨胀节在工作时两端产生横向位移，高速介质就会直接冲击波纹膨胀节中间段及波纹管内壁面，从而使得波纹膨胀节产生强迫振动或者产生共振，从而产生疲劳损伤。同时，由于机组的频繁启停，压力载荷、温度载荷都会对波纹膨胀节产生低循环疲劳损伤。这就导致了波纹膨胀节的寿命相较于常规设置和使用的波纹膨胀节被明显缩短。如果不能及时发现波纹膨胀节到达安全期限，存在波纹膨胀节在试验中破损或者连接松动等问题，进而导致试验失败的风险。

发明内容

为了能够监测波纹膨胀节的低循环疲劳损伤和高循环疲劳损伤，从而实现波纹膨胀节剩余寿命的实时、准确监测，确定波纹膨胀节的安全期限，保证波纹膨胀节使用的可靠性，本发明提供一种波纹膨胀节剩余寿命监测方法和相关装置。

本发明提供一种波纹膨胀节剩余寿命监测方法，采用如下的技术方案：

一种波纹膨胀节剩余寿命监测方法，包括如下步骤，

S100，记录波纹膨胀节的启停次数n、运行时间t、工作温度T，以及所述波纹膨胀节运行中中间段的振动数据；

建立测振装置和所述波纹膨胀节的三维有限元模型；

S200，对所述振动数据进行快速傅里叶变换，得到不同分频f

S300，对所述三维有限元模型进行谐响应分析，计算位移响应x，调整激励力F

S400，通过对S400的反向演算，获取不同所述分频f

S500，根据所述振动应力σ

S600，计算所述波纹膨胀节的损伤D，并将所述损伤D与预设的损伤阈值D

否则所述波纹膨胀节的剩余寿命不为0，可以继续使用。

在一个具体的可实施方案中，所述位移幅值s

在一个具体的可实施方案中，在步骤S100中，所述波纹膨胀节的模型通过网格离散化，所述波纹膨胀节的法兰和中间段采用三维实体单元表征，所述波纹膨胀节的波纹管段采用壳单元表征，所述测振装置采用三维实体单元表征。

在一个具体的可实施方案中，在进行步骤S300之前，对工作态下的所述波纹膨胀节的所述三维有限元模型进行固有频率分析，并将分析结果与所述振动数据进行比较，

若所述分析结果与所述振动数据的偏差超过或等于预先设定的阈值范围，则对所述三维有限元模型进行调整，重新进行所述固有频率分析，直到所述分析结果与所述振动数据的偏差在所述阈值范围内；

所述阈值范围为-5％-5％；

调整所述分析结果的方法为：调整所述三维有限元模型中所述波纹膨胀节的壁厚。

进行所述固有频率分析时，在所述波纹膨胀节两端的法兰施加热位移，将材料设置为对应工作温度T下的弹性模量。

在一个具体的可实施方案中，所述阈值为5％。

在一个具体的可实施方案中，所述谐响应分析包括初始振动响应分析、自有伴随振动分析、受迫振动响应分析，

所述初始振动响应分析阶段，谐响应的控制方程为：Mx″+Cx′+Kx＝F

其中，M为所述波纹膨胀节质量分布的矩阵，

x″为所述波纹膨胀节振动的加速度，

C为所述波纹膨胀节的阻尼矩阵，

x′为所述波纹膨胀节振动的速度，

K为所述波纹膨胀节的刚度矩阵，

ω为所述激励力F

所述自有伴随振动分析阶段，在位移和速度初值确定的前提下，所述位移响应x的计算方程为：

其中，

为激励频率与固有频率的比值；

e为自然常数；

为带阻尼的固有频率；

为振幅放大因子；

为相位差；

所述受迫振动响应分析阶段，所述位移响应x的计算方程为：

在一个具体的可实施方案中，步骤S400中，所述激励力F

其中，R

在一个具体的可实施方案中，所述损伤D的计算公式为：

其中，N

h为分频数量。

本发明还提供一种电子设备，采用如下的技术方案：

一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述的波纹膨胀节剩余寿命监测方法。

本发明还提供一种存储介质，采用如下的技术方案：

一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，计算机指令用于使计算机执行上述的波纹膨胀节剩余寿命监测方法。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过对波纹膨胀节的损伤进行计算，并对损伤和损伤阈值进行比较，以此进行波纹膨胀节剩余寿命的监控，当波纹膨胀节的损伤超过损伤阈值时，停止波纹膨胀节的使用，对波纹膨胀节进行更换，确定波纹膨胀节的安全期限，保证波纹膨胀节使用的可靠性。

2.通过对三维有限元模型的调整，提升三维有限元模型与波纹膨胀节实际工作的近似度，使得三维有限元模型对波纹膨胀节的模拟运行结果更接近实际使用情况，提升波纹膨胀节剩余寿命监控的精度。

附图说明

图1是测振装置设置在波纹膨胀节上后的结构示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是波纹膨胀节的有限元模型。

图4是实施例中复式波纹膨胀节所在管系示意图。

图5是度传感器测得数据图。

附图标记说明：1、波纹管中间段；2、法兰；3、波纹管段；4、测振支架；5、加强筋；6、H型槽钢；7、速度传感器；8、测振装置。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供的波纹膨胀节剩余寿命监测方法可以应用在服务器上，也可以应用在终端上。其中，该服务器可以是物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)，以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是具有较强计算能力的移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)等用户设备(User Equipment，UE)、手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、移动台(Mobile Station，MS)、移动终端(MobileTerminal)等，本发明在此不做限定。

为了便于理解，以下对一些相关名词进行解释。

傅里叶变换，是一种数学工具，用于将时间域的数据转换为频率域的表示。可以将一个信号分解为不同频率的成分，从而帮助理解信号的频率特性。傅里叶变换在信号处理、图像处理、通信系统等领域都有广泛的应用。通过傅里叶变换，可以分析信号的频谱特性，进行滤波、频率分析、频率合成等操作。

快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，是一种高效的计算傅里叶变换的算法，通过巧妙地利用对称性和周期性，将傅里叶变换的计算复杂度大大降低。FFT算法的高效性使得在实际应用中可以快速地对大量数据进行频域分析和处理。

谐响应，是指当一个系统受到周期性外部激励时，系统的响应也是周期性的，并且其频率与外部激励的频率相同或者是其整数倍。在这种情况下，系统的响应会达到稳定状态，而不会出现无限增长或者衰减。谐响应通常发生在受到周期性激励的线性系统中，当外部激励的频率与系统的固有频率相匹配时，系统会表现出最大的振幅。总的来说，谐响应是指系统对周期性外部激励做出的稳定、周期性响应。

参照图1，为测振装置设置在波纹膨胀节上后的结构示意图，波纹膨胀节包括波纹管中间段1、法兰2和波纹管段3，波纹管段3设有两段，分别固定在波纹管中间段1轴线方向的两端，法兰2设有两个，分别设置在两个波纹管段3远离波纹管中间段1的一端。

参照图2，波纹膨胀节剩余寿命监测方法包括如下步骤：

S100，数据获取。建立测振装置和波纹膨胀节的三维有限元模型。

通过计时装置对波纹膨胀节的运行时间t进行计时并记录，再通过集成在计时装置内的计数功能，对波纹膨胀节的启停次数n进行计数。通过热电阻传感器对波纹膨胀节的工作温度T进行监测和记录，温度传感器设置在波纹膨胀节的波纹管段3的外壁上。通过测振装置对波纹膨胀节工作中的振动特性进行监测和记录，形成振动数据。

参照图1，需要注意的是，测振装置8包括测振支架4和速度传感器7，测振支架4固定连接在波纹管中间段1的外壁上，速度传感器7通过H型槽钢6固定在测振支架4远离波纹管中间段1一端的侧壁上。测振支架4与波纹管中间段1之间设置加强筋5，对测振支架4与波纹管中间段1之间的连接进行加强。

参照图3，将测振装置和波纹膨胀节的三维模型通过网格离散化，法兰2和波纹管中间段1采用三维实体单元表征，波纹管段3采用壳单元表征，测振支架4和速度传感器7采用三维实体单元表征，建立测振装置和波纹膨胀节的三维有限元模型。以下为了进行区分，将实际测试的波纹膨胀节命名为第一波纹膨胀节，将三维有限元模型中的波纹膨胀节命名为第二波纹膨胀节。

在第二波纹膨胀节的法兰2上施加热位移，并就将第二波纹膨胀节的材料设置为对应工作温度T下的弹性模量，对三维有限元模型进行固有频率分析，并输出分析结果，获得三维有限元模型前三阶段的固有频率及模态振型。

将分析结果与第一波纹膨胀节在工作状态下的振动数据进行比较，若分析结果与振动数据的偏差超过5％，则对第二波纹膨胀节的波纹管段3的壁厚进行增减，并重新进行固有频率分析，直到分析结果与振动数据的偏差在5％内(包含5％)。

由于在实际的生产加工中，第一波纹膨胀节的波纹管段3的壁厚会与设计存在偏差，因此调整第二波纹膨胀节的波纹管段3的壁厚，能够使得第二波纹膨胀节尽可能与第一波纹膨胀节的结构完全相同，以此提升计算结果的准确性。

S200，快速傅里叶变换，计算位移幅值s

通过对启停次数n、运行时间t、工作温度T和振动数据进行快速傅里叶变换，获得不同分频f

S300，对三维有限元模型进行谐响应分析。

基于三维有限元模型前三阶段的固有频率及模态振型，在各阶模态位移最大的位置施加激励力F

谐响应分析包括初始振动响应分析、自有伴随振动分析、受迫振动响应分析，通过谐响应方程：Mx″+Cx′+Kx＝F

其中，M为波纹膨胀节质量分布的矩阵，

x″为波纹膨胀节振动的加速度，

C为波纹膨胀节的阻尼矩阵，

x′为波纹膨胀节振动的速度，

K为波纹膨胀节的刚度矩阵，

ω为激励力F

在自有伴随振动分析阶段，位移和速度初值确定的前提下，通过位移响应x的计算方程为：

其中，

为激励频率与固有频率的比值；

e为自然常数；

为带阻尼的固有频率；

为振幅放大因子；

为相位差。

受迫振动响应分析，位移响应x的计算方程为：

由于随着第一波纹膨胀节使用时间的推移，初始振动和自有伴随振动逐渐消失，逐渐形成稳定的正弦曲线形式的受迫振动。因此，在三维有限元模型的谐响应分析中，将受迫振动响应阶段作为主要研究对象。

基于受迫振动响应分析阶段位移响应x的计算方程，可以得到：R

计算激励力F

S400，基于S400中的分析进行反向演算，计算振动应力σ

通过将计算获得的激励力F

进行反向演算，推导出第二波纹膨胀节的波纹管段3在不同分频f

S500，结合工作温度T时波纹膨胀节的材料的应力寿命曲线，通过插值算法，计算波纹膨胀节的寿命N

获取对应分频f

S600，计算波纹膨胀节的损伤，并与预设的损伤阈值进行比较。

通过公式：

计算第二膨胀节的损伤D。其中，N

并通过查阅资料等方式确定损伤阈值D

否则波纹膨胀节的剩余寿命不为0，可以继续使用。

本具体实施方式还公开一种波纹膨胀节剩余寿命监测装置，包括一个或多个处理器；存储器；

以及一个或多个计算机程序，其中，一个或多个计算机程序被存储在存储器中，一个或多个计算机程序包括指令，当指令被处理器执行时，使得波纹膨胀节剩余寿命监测装置执行上述的波纹膨胀节剩余寿命监测方法。

本具体实施方式还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述的波纹膨胀节剩余寿命监测方法。

本具体实施方式还公开一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，计算机指令用于使计算机执行上述的波纹膨胀节剩余寿命监测方法。

实施例：

参照图4，某轴流压气机在试验时，利用三根排气管道进行工况调节以及高温高速介质的输送。排气管道内介质最高温度为600℃，最高流速为400m/s。排气管道中设置了复式波纹膨胀节来吸收管道的热膨胀，并减小对机组的管道力。但是，由于管道内高速介质的冲击，复式波纹膨胀节发生共振。对管路进行改造后，虽然一定程度减小了复式波纹膨胀节的振动，但是由于受场地和工期限制，无法完全消除膨胀节的振动现象。

参照图1和图4，将测振装置8设置在波纹膨胀节的外壁上，具体为，将测振支架4焊接在复式波纹膨胀节的波纹管中间段1，通过仿真计算得到测振支架4的固有频率，并确保测振支架4固有频率大于400Hz，否则对测振支架4根部采用加强筋5进行局部补强。测振支架4顶部固定H型钢，速度传感器7安装在H型槽钢6上。在复式波纹膨胀节波纹管薄壁面上安装热电阻传感器监测膨胀节工作温度。

参照图5，采集复式波纹膨胀节启停次数n＝520，总运行时间t＝2000小时，工作温度T＝500℃；同时利用速度传感器7采集复式波纹膨胀节轴向振动速度，并将时域上的轴向振动速度通过快速傅里叶变换转换成频率域的速度响应曲线。

建立复式波纹膨胀节有限元模型，在复式波纹膨胀节两端的法兰2施加热位移，同时将材料设置为对应温度下的弹性模量，并进行模态分析，得到前三阶模态。通过调整波纹管段3壁厚，直至计算固有频率与实测值偏差小于5％，详见表1。

表1

采用有限元的方法进行波纹膨胀节谐响应分析，采用模态叠加法。首先进行谐响应试算，将激励力施加在模态位移最大位置，并给定初始模态阻尼ζ。对于一阶振型，先预设模态阻尼ζi＝0.018，激励力为F

表2

基于谐响应分析结果，获得波纹管段3对应第1个响应峰值下的最大振动应力σ

获取复式波纹膨胀节的设计寿命为1000次循环。

复式波纹膨胀节损伤D为：

预设的损伤阈值D

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。