一种门机应力场反演方法、系统及电子设备

技术领域

本发明属于门机监测领域，更具体地，涉及一种门机应力场反演方法、系统及电子设备。

背景技术

水电站门式起重机(门机)是用于水电站各类闸门开启和关闭的起重设备，而现行的日常的门机运行状态监测及健康状态巡检过程中，存在诸多不足，比如：起重机运行过程中对结构、机构、部件状态监测不够全面和充分；通过人工定期巡检，效率低且检查不能够实时全面掌握设备运行状态，无法对设备各部分健康状态进行全面实时评估。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种门机应力场反演方法、系统及电子设备，旨在解决现有技术无法对门机各部分健康状态进行全面实时评估的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种门机应力场反演方法，包括：

获取门机的三维模型，并确定门机的位移自由度和初始载荷；

将所述位移自由度作为约束条件，初始载荷作为边界条件，基于所述门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，确定门机上的所有应力极值点；所述应力极值点包括：应力极大值点和应力极小值点；所述初始载荷用于确定门机上的初始应力场分布；

获取测量的门机上应力极值点处的应力值，并将测量的应力值与基于初始载荷确定的应力初始值累加得到应力极值点处的实际应力值，之后基于门机三维模型采用基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)的等几何分析方法对实际应力值进行插值反演，仿真得到门机的应力场分布。

具体地，确定初始载荷后，通过对比不同负载下门机应力极值点处有限元模型的变形值与实测的变形值，反算初始负载以及极值点处的初始应力值。

另外，应力极值点处的应力值可以通过应力传感器测量得到。

需要说明的是，仿真得到门机的应力场分布后，可以结合应力场分布进一步评估门机各部分的健康状态，例如应变、振动或位移等数据。

在一种可能的实现方式中，所述初始载荷通过如下步骤确定：

预设初始载荷值，基于预设的初始载荷值、位移自由度以及门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，初步确定门机上的应力极值点；

获取门机上初步确定的应力极值点处增加预设载荷后的实际变形值，并将实际变形值与采用有限元分析仿真增加预设载荷后得到的变形值对比，若变形值不一致则对预设的初始载荷值进行调整，直至变形值一致；

将变形值一致对应的初始载荷值作为最终确定的初始载荷。

之后基于初始载荷，在有限元模型中计算得到门机上应力场的初始分布，即能够确定各个点的应力值。

需要说明的是，变形值一致的初始载荷作用下的各极值点应力值，是各极值点的应力初始值。在结构弹性变形区间内，各极值点实际应力值＝应力传感器测量值+初始值。

在一种可能的实现方式中，所述位移自由度为门机的位移约束，根据门机的参数确定。

在一种可能的实现方式中，基于门机三维模型采用的基于NURBS的等几何分析方法对测量的应力值进行插值反演，包括：

基于门机三维模型采用NURBS基函数建立几何模型；

在所建立的几何模型中基于NURBS基函数对应力测量点处实际应力值对应的物理场进行离散，以进行等几何分析，插值反演得到门机三维模型上各个点的应力；所述离散的平衡方程由刚度矩阵、门机位移向量以及外部载荷确定。

在一种可能的实现方式中，采用二阶或二阶以上的NURBS基函数进行NURBS曲面插值。

在一种可能的实现方式中，所述几何模型中包括：空洞单元、实体单元以及边界单元；

对于空洞单元，所述刚度矩阵K

K

式中，K

在一种可能的实现方式中，识别几何模型中各单元时，在边界单元附近的实体单元和/或空洞单元中引入至少一个额外检测点，若至少一个额外检测点所在的域与其所在单元所处的域不同，则对应的单元将被重新划分为边界单元。

第二方面，本发明提供了一种门机应力场反演系统，包括：

门机模型建模单元，用于建立门机的三维模型，并确定门机的位移自由度和初始载荷；

极值点分析单元，用于将所述位移自由度作为约束条件，初始载荷作为边界条件，基于所述门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，确定门机上的所有应力极值点；所述应力极值点包括：应力极大值点和应力极小值点；所述初始载荷用于确定门机上的初始应力场分布；

应力场反演单元，用于获取测量的门机上应力极值点处的应力值，并将测量的应力值与基于初始载荷确定的应力初始值累加得到应力极值点处的实际应力值，之后基于门机三维模型采用基于非均匀有理B样条NURBS的等几何分析方法对实际应力值进行插值反演，仿真得到门机的应力场分布。

在一种可能的实现方式中，所述门机模型获取单元预设初始载荷值，基于预设的初始载荷值、位移自由度以及门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，初步确定门机上的应力极值点；获取门机上初步确定的应力极值点处增加预设载荷后的实际变形值，并将实际变形值与采用有限元分析仿真增加预设载荷后得到的变形值对比，若变形值不一致则对预设的初始载荷值进行调整，直至变形值一致；以及将变形值一致对应的初始载荷值作为最终确定的初始载荷，之后基于初始载荷计算得到门机初始应力分布，以便有限元分析时基于初始应力场分布仿真确定门机上的应力极值点。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种门机应力场反演方法、系统及电子设备，以门机为研究对象实体，建立门机高精度的三维仿真物理场模型，以门机实际工作过程中关键位置、机构上的实时监测数据为基础，构建物理实体和虚拟模型之间的数据映射关系，建立门机的数字孪生体。通过有限元仿真确定门机上的应力极值点，之后测量极值点处的应力后通过NURBS的等几何分析方法对测量的应力进行曲面插值反演，确定门机上的应力场分布，实现门机运行过程中应力监测的全面性和实时性，并结合在线监测结果进一步分析门机的应变、振动等物理场状态，实现设备运行状态的可视化。

本发明提供一种门机应力场反演方法、系统及电子设备，基于三维建模应力场反演方法只需要在工程现场进行取样工作即可，有效减轻了现场工作量，可以实现多个测点取样，实现应力多测点精细测量；可建立工程大尺度含单一或复杂构造的三维数值模型，通过并行计算对反演研究区域的应力分布特征进行反演；可得到直观、可视化的整体应力分布情况，有效提取并查看模型不同水平、不同倾斜面、不同构造处的垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力值及方向等信息。

附图说明

图1是本发明实施例提供的门机应力场反演方法流程图；

图2是本发明实施例提供的门机三维模型构建示意图；

图3是本发明实施例提供的门机三维模型有限元分析时变形比例为1的应力分布图；

图4是本发明实施例提供的门机三维模型有限元分析时变形比例为1000万的应力分布图；

图5是本发明实施例提供的有限元分析和NURBS单元分析的空间离散对比图；

图6是本发明实施例提供的等几何分析与扩展有限元技术结合图解示意图；

图7是本发明实施例提供的针对于误识别情况的局部单元重识别方案示意图；

图8是本发明实施例提供的门机应力场反演算法流程图；

图9是本发明实施例提供的门机应力场反演系统架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本文中符号“/”表示关联对象是或者的关系，例如A/B表示A或者B。

在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

接下来，对本发明实施例中提供的技术方案进行介绍。

图1是本发明实施例提供的门机应力场反演方法流程图；如图1所示，包括以下步骤：

S101，获取门机的三维模型，并确定门机的位移自由度和初始载荷，以及确定初始载荷对应的初始应力场分布；

S102，将所述位移自由度作为约束条件，初始载荷作为边界条件，基于所述门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，确定门机上的所有应力极值点；所述应力极值点包括：应力极大值点和应力极小值点；

S103，获取测量的门机上应力极值点处的应力值，并将测量的应力值与基于初始载荷确定的应力初始值累加得到应力极值点处的实际应力值，之后基于门机三维模型采用基于非均匀有理B样条NURBS的等几何分析方法对实际应力值进行插值反演，仿真得到门机的应力场分布。

在一个具体的实施例中，本发明提供的门机应力场反演方法包括以下步骤：

1)构建门机三维模型：根据二维图纸绘制门机3D几何模型，先构建三维零件模型，再装配成三维整体模型，为方便有限元分析，将装配模型合并成单一模型，模型图参见图2所示。

2)构建门机三维有限元模型：根据门机模型报告，建立门机模型三维有限元网格模型，确定模型研究范围内各物理力学参数，构造类型、规模、数量以及分布情况，从而确定位移约束、载荷条件等。

3)确定待测零件的测量点：将上述三维几何模型进行初步有限元分析，根据分析结果中应力较为集中的位置，确定大致待测量点位置与数量。图3为有限元分析时变形比例为1时的应力分布图，图4为有限元分析时变形比例为1000万时的应力分布图。

其中，有限元分心选择的应力较为集中的位置指的是应力极值点，即包括应力极大值点和应力极小值点。

4)三坐标测量机测得待测零件测量点的实际变形值：设定多个测量点，测量点的位置与步骤3中有限元选定的测量点相对应。运用应力传感器直接测量或换算出测量点位置法线方向的应力数据σ，其中：σ为nn*1的矩阵(待测量点所获得的nn*1的变形矩阵)。

5)将步骤3中有限元模型分析分布结果与步骤4中对应位置的实测数据进行获得测量数据进行比对，比较结果是否分布上一致；如果一致，进入步骤6，否则，对步骤3中待测量点与位置进行修正。

需要说明的是，有限元分析时需要基于初始应力值进行分析，初始应力值通过初始载荷确定，上述修正过程即确定门机的初始载荷。而在后续的应力插值反演过程中，实际的应力值等于初始应力值加上测量的应力值，基于实际应力值反演能够得到更贴近实际情况的门机应力场分布。

6)对模型进行测量点基于NURBS插值反演计算，反演计算过程中，会以测点数据作为结点数据为基础进行高维NURBS曲面插值，获得门机三维模型表面点的应力值，再得到整个门机实体应力场分布。

具体地，现有应力应变分析普遍基于有限元分析，然而采用有限单元法进行结构分析，分析模型近似离散三维几何模型为有限单元网格，使得分析与几何模型脱节，计算模型存在误差；单元之间的连续性低，如线性单元间C0连续的位移场和不连续的应力场，影响分析精度；使用高阶单元时，计算效率会大幅下降。

为此本发明拟使用基于NURBS的等几何分析方法，通过采用相同的NURBS基函数建立几何模型与计算模型，将结构分析架构于几何模型之上，可改进有限元单元间形函数低阶连续与几何模型误差等局限。等几何分析利用控制点信息和NURBS基函数对物理场x(坐标、位移、载荷等)进行离散：

x(ξ,η)＝∑N

式中，(ξ,η)表示参数坐标，x

由于高阶连续单元有利于物理场的光滑性表达，提供更高的计算精度，因此通常采用二次及以上的NURBS单元。对于单元间的连续性，图5中(c)采用的双二次NURBS单元间的连续性为C1，而图5中(b)采用的双二次拉格朗日单元间连续性始终为C0，因此同阶次的NURBS单元分析精度更高。

对于离散的平衡方程f＝Ku，K为刚度矩阵，位移向量u和外部载荷f与控制点相关联。组成总纲矩阵K的单元刚度矩阵K

式中，B表示应变-位移矩阵，E为弹性矩阵。单元的物理区域记为Ω

对于二维平面应力问题，B矩阵的元素组成为：

其中，N

高斯积分区域到NURBS参数空间[ξ

因此，雅克比矩阵J

等几何分析过程中，NURBS单元划分固定不变，为保证方程组的非奇异性，采用基于密度的“代用材料”方法。对空洞区域赋予弹性模量极小的弱材料，则数值计算过程中，单元刚度矩阵表达式为：

式中，K

图6是本发明实施例提供的等几何分析与扩展有限元技术结合图解；等几何分析过程中对连续体结构进行等几何分析时如图6中C所示，矩形结构域由二维NURBS基函数构建而成，并以此作为背景网格，其中虚线代表等几何分析网格。根据单元内实体域部分的占比，将图6中A的单元类型划分为三种：1)孔洞单元，2)边界单元，3)实体单元。单元快速识别方案需识别单元的各个顶点(2D/3D情况下分别为4/8个顶点)是否在实体域内。如果单元的所有顶点均在实体域中或孔洞域中，则该单元被识别为实体/孔洞单元。其余的情况下，该单元将被标识为边界单元。如图6中B所示，通过上述识别方案可以快速识别出E1为空洞单元，E2为边界单元，E3为实体单元。

如图7所示，快速识别方案简单易操作，但当单元内孔洞/实体的尺寸小于单元尺寸时，可能会存在误识别情况。为了解决这问题，在边界单元附近的实体/空洞单元中引入额外的检测，以确保单元识别的正确性。如果所有额外的检测节点仍然在实体/空洞域内，那么该单元仍然被识别为实体/空洞单元，否则该元素将被重新识别为边界元素。在重新识别后引入局部单元细化，获得边界单元的模拟边界。值得注意的是，局部单元细化只用于生成模拟边界，方便后续的数值积分，并不增加有限元系统的规模。

上述过程的具体步骤流程图参见图8所示。

考虑到门机模型较大单元数较多，且高阶NURBS单元计算量较大，因此考虑基于并行计算机对自研仿真软件中三维模型进行NURBS插值计算，得到整个模型应力场分布，将每一测点与反演模拟结果对应点的计算应力大小与方向进行比较，验证应力反演效果，调整边界载荷以使各测点反演值不断逼近实测值，当各测点反演值与实测值二者之间的误差达到10％以内时，反演结果即为最终的结果。

7)根据计算结果查看不同位置垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线分布图、计算结果曲线图数据，并对整体应力场分布、构造等因素对应力场分布的影响进行分析，包括门机三维模型整体垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力等值线图。

本发明基于三维建模应力场反演方法只需要在工程现场进行取样工作即可，有效减轻了现场工作量，可以实现多个测点取样，实现应力多测点精细测量；可建立工程大尺度含单一或复杂构造的三维数值模型，通过并行计算对反演研究区域的应力分布特征进行反演；可得到直观、可视化的整体应力分布情况，有效提取并查看模型不同水平、不同倾斜面、不同构造处的垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力值及方向等信息。

图9是本发明实施例提供的门机应力场反演系统架构图；如图9所示，包括：

门机模型建模单元910，用于建立门机的三维模型，并确定门机的位移自由度和初始载荷；

极值点分析单元920，用于将所述位移自由度作为约束条件，初始载荷作为边界条件，基于所述门机三维模型对门机上的应力分布进行有限元分析，确定门机上的所有应力极值点；所述应力极值点包括：应力极大值点和应力极小值点；

应力场反演单元930，用于获取测量的门机上应力极值点处的应力值，并将测量的应力值与基于初始载荷确定的应力初始值累加得到应力极值点处的实际应力值，之后基于门机三维模型采用基于非均匀有理B样条NURBS的等几何分析方法对实际应力值进行插值反演，仿真得到门机的应力场分布。

应当理解的是，上述系统用于执行上述实施例中的方法，系统中相应的程序单元，其实现原理和技术效果与上述方法中的描述类似，该系统的工作过程可参考上述方法中的对应过程，此处不再赘述。

基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种电子设备。该设备可以包括：至少一个用于存储程序的存储器和至少一个用于执行存储器存储的程序的处理器。其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行上述实施例中所描述的方法。

基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。

基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。

可以理解的是，本发明实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

本发明实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

可以理解的是，在本发明实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明的实施例的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。