基于贝叶斯压缩感知的大型工程机械结构冲击载荷辨识

赵 雷

(安徽工贸职业技术学院 机械与汽车工程系，安徽 淮南 232007)

随着大型工程机械的广泛应用，其结构应力载荷特征分析受到极大关注。通过分析大型工程机械结构的应力参数和冲击载荷，能够实现对其载荷和工况的有效监测，保障大型工程机械的良好工况，提高其运行水平的稳定可靠性。研究大型工程机械结构的冲击载荷准确辨识方法，对优化其结构和性能具有重要意义。为此，冲击载荷辨识模型研究成为相关工程领域研究的热点[1]。

对大型工程机械结构冲击载荷辨识是建立在对其恢复力-变形特征分析基础上，结合预压弹簧自恢复耗能特征分析，在初始状态下进行支撑刚度特征分布式融合处理，提高对冲击载荷的辨识能力[2]。传统方法中，对大型工程机械结构冲击载荷辨识方法主要有基于稀疏正则化理论的工程机械结构冲击载荷辨识方法、基于自恢复阶段性特征分析的工程机械结构冲击载荷辨识方法以及基于模糊度参数辨识的冲击载荷辨识方法等[3-5]。上述方法基本都是在构造大型工程机械结构受力参量的估计模型的基础上建立冲击载荷力学方程，从而实现冲击载荷辨识。但上述方法的输出稳定性和可靠性较差。

针对上述问题，本文提出基于贝叶斯压缩感知的大型工程机械结构冲击载荷辨识方法。

1 大型工程机械结构冲击载荷结构参数分析

1.1 冲击载荷结构模型

为了实现大型工程机械结构冲击载荷辨识，首先构建冲击载荷结构模型，采用力学传感器对冲击载荷传感信息进行识别[6]，在栅格单元中实现对大型工程机械结构的力学数据采集，如图1所示。

图1 大型工程机械结构的力学信息采集模型

图1中，构造大型工程机械结构受力参量的估计模型，采用竖向挠度、加速度、索力等传感器，实现大型工程机械结构在五轴坐标系中的力学特征分析[7]，测试大型机械结构的应变、竖向挠度等参数，得到应变模量T和竖向挠度V分别为：

(1)

(2)

基于结构有限元模型分析的方法，在零势能面构建大型工程机械结构受力参量的估计模型为：

(3)

采用多元线性回归模型构建冲击载荷参数辨识模型，得到冲击载荷力学方程：

(4)

(5)

结语上述过程，可以得到大型工程机械结构的冲击载荷结构模型，采用动应变及屈服响应监测的方法对型工程机械结构的冲击载荷实现应力特征检测[8]。

1.2 机械结构的冲击载荷特征检测

采用动应变及屈服响应监测的方法对大型工程机械结构的冲击载荷实现应力特征检测，首先采用经验模态分解法，得到冲击载荷的实测分量为：

(6)

式中：∂表示经验模态参数。采用断裂行为评估模型实现对大型工程机械结构冲击载荷的力学参数评估，得到尺寸参数的优化估计结果为：

(7)

(8)

取sinθp=θp，cosθp=1，测试内外管刚度Ki与Ko，在支撑面发生变形时，分析预压力及摩擦装置的冲击载荷，结合尺寸参数的优化估计结果，得到机械结构的冲击载荷特征检测模型为：

(9)

根据上述分析，提取工程机械结构冲击载荷的结构特征信息和动态预警阈值[9]，得到工程机械结构的冲击力与位移的变化，如图2所示。

图2 工程机械结构的冲击力与位移的变化

2 大型工程机械结构冲击载荷辨识优化

2.1 屈服刚度估计和辨识

结合上述所得到的大型工程机械结构冲击载荷结构参数分析结果，建立冲击载荷屈服响应方程，从而分析吸能元件的屈服刚度[10]，首先结合冲击载荷特征检测模型，建立加速度等效分析模型为：

(10)

假设总体的压缩距离一致的条件下，得到工程机械结构的冲击力的等效分布关系为：

(11)

在理想弹塑性工况下，得到屈服载荷为：

(12)

式中：σij*表示屈服载荷和屈服刚度的比例关系。采用三自由度弹簧应力感知的方法[11]，得到贝叶斯感知模型下工程机械结构的冲击应力与相应的应变关系式为：

(13)

在材料屈服应力的作用下，得到屈服刚度估计函数，其定义为：

(14)

在屈服刚度估计达到弹性临界载荷之前，采用曲率修正的方法，得到屈服刚度辨识模型为：

(15)

2.2 工程机械结构冲击载荷参数估计及辨识

根据结构屈曲参数响应和空间杆系结构的非线性应力特征分布，实现对大型工程机械结构冲击载荷的动态压缩感知，得到结构的塑性临界载荷为：

(16)

式中：

(17)

基于结构屈曲分析的方法，建立工程机械结构冲击载荷的贝叶斯压缩感知模型，得到湍流方程满足：

(18)

忽略已有杆件进入屈服的扰动，结合湍流方程结果，得到大型工程机械结构弹塑性屈曲行为参数满足：

Gb+ρui=0。

(19)

根据结构屈曲参数响应和空间杆系结构的非线性应力特征分布，实现对冲击载荷的动态压缩感知，从而得到冲击载荷辨识优化输出函数为：

(20)

式中：

(21)

式中：k表示冲击载荷的动态感知特征值[13-15]。综上，结合大型机械结构的塑性临界载荷辨识结果，实现对大型机械结构的工况监测和实时状态评估。

3 仿真测试分析

为验证基于贝叶斯压缩感知的大型工程机械结构冲击载荷辨识方法的实际应用性能，设计如下仿真试验加以证明。

实验参数设置情况为：结构屈曲应力响应为0.35，阻尼参数为15 kN， 载荷子步数为120，轴力最大值为1 600 kN。传感节点感知参数如表1所示。

表1 大型机械结构的传感节点感知参数

在上述参数设置的基础上，以辨识结果准确性和辨识过程时效性为检验指标，对本文方法的性能进行验证。为避免实验结果的单一性，将传统的基于稀疏正则化理论的工程机械结构冲击载荷辨识方法(传统方法)作为对比，与本文方法共同完成性能验证。

为验证不同方法辨识结果的优劣，以辨识结果准确性为测试指标，得到对比结果如图3所示，本文方法能有效实现大型机械结构的冲击载荷参数辨识，其辨识出的载荷曲线与真实曲线拟合度较高，说明本文方法有效提高了大型机械结构的载荷辨识能力。

图3 载荷参数测试曲线

为进一步验证不同方法的应用效果，以辨识过程耗时为指标检验不同方法的辨识过程时效性，具体实验对比结果如图4所示。

图4 不同方法辨识过程耗时对比结果

分析实验数据可知，随着测试次数的增加，不同方法的辨识过程耗时也不断变化。但是相比于传统方法，本文方法的辨识过程耗时明显更低一些，均保持在10 s以下。

综上所述，本文设计的基于贝叶斯压缩感知的大型工程机械结构冲击载荷辨识方法具有辨识结果准确性和辨识过程时效性高的应用优势。

4 结语

本文提出基于贝叶斯压缩感知的大型工程机械结构冲击载荷辨识方法，采用力学传感器实行对大型工程机械结构的冲击载荷信息识别，建立冲击载荷辨识的屈服刚度估计模型，根据参数辨识结果实现对冲击载荷的辨识。经实验研究得知，该方法的辨识结果准确性和辨识过程时效性均较高。