CN107590321B - 一种管道振动响应的整体测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道振动响应的整体测量方法，涉及工程测量领域，包括：S1：基于待测的管路***结构，建立管路模型，并基于管路模型建立动力学模型；S2：在待测的管路***中布置多个用于采集管壁振动信号的测点；S3：加速度传感器采集测点的管壁振动加速度信号，同时通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号；S4：根据时域振动加速度信号或频域振动加速度信号，确定管路***中等效的激励源的位置和大小，得到等效的激励源向量；S5：将得到的激励源向量带入动力学模型中，并结合公式得到管路上待考察位置的振动响应情况。本发明通过少数测点振动的测量来精确预测整个管路任意点的振动响应情况。

Description

一种管道振动响应的整体测量方法

技术领域

本发明涉及工程测量领域，具体涉及一种管道振动响应的整体测量方法。

背景技术

流体管路广泛应用于船舶与海洋工程、能源与电力工业、石油化工，航行器动力***以及日常生活中，管路***在输送流体的同时，会将振动能量沿管壁和管内流体传播到管路***的各个位置，造成管路及与管路相连的其他元件和精密仪器的破坏，影响管路***安全和管路动力***的正常运行，严重时甚至会造成巨大的经济损失，因此，管路***的振动测试便成为管路***设计过程较为重要的一个环节。

管路振动测量的常用方法是在管路的关注点和关键位置点布置加速度传感器，通过加速度传感器，将测量的管路的振动信号传递给信号采集处理***，然后根据需要从信号采集处理***提取数据进行绘图分析。但对于大型的管路***而言，当需要关注的振动位置较多时，则需要在管路上设置较多的测点，并使用大量的加速度传感器，造成人力、物力和财力的较大消耗，并且由于管路***的复杂结构和位置特征，有些测点不具备安装加速度传感器的空间条件，或者测点所在位置测试环境恶劣，不适宜人长期工作，导致无法测量这些关键测点的振动情况。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种管道振动响应的整体测量方法，通过少数测点振动的测量来精确预测整个管路任意点的振动响应情况。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是，包括：

S1：基于待测的管路***结构，建立管路模型，并基于管路模型建立动力学模型：

Φ_start＝UΦ_end+Q(F,U,D) (1)

其中，Φ_start表示管路始端的状态向量，Φ_end表示管路末端的状态向量，U表示管路末端和管路始端之间的传递矩阵，Q(F,U,D)为由管路振动的激励源向量F、传递矩阵U和管路边界条件D组成的初始状态向量；

S2：在待测的管路***中布置多个用于采集管壁振动信号的测点，每个测点均设置加速度传感器；

S3：加速度传感器采集测点的管壁振动加速度信号，同时通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号；

S4：根据采集的时域振动加速度信号或转换得到的频域振动加速度信号，进行振源的识别，确定管路***中等效的激励源的位置和大小，得到等效的激励源向量；

S5：将得到的激励源向量带入动力学模型(1)中，并结合公式Φ_r＝EW^-1F得到管路上待考察位置的振动响应情况，其中，Φ_r为待考察位置各方向振动响应组成的状态向量，F为激励源向量，W^-1为由传递矩阵U、边界条件D组成的矩阵的逆阵，E表示提取矩阵，其用于提取待考察位置的状态向量。

在上述技术方案的基础上，所述边界条件D包括管路结构的支撑形式和管内流体的阻抗。

在上述技术方案的基础上，管路***中布置的测点均匀分布于管路***中。

在上述技术方案的基础上，步骤S4中，振源的识别能够只通过采集得到的时域振动加速度信号进行识别。

在上述技术方案的基础上，步骤S4中，振源的识别能够只通过转换得到的频域振动加速度信号进行识别。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在管路***中布置少数的测点，通过对测点的管壁振动加速度信号测得，然后通过建立的动力学模型等公式的运算，即可对管路***中任意位置的振动响应情况进行快速而准确的预测，整个过程操作简单，有效解决了复杂管路***振动响应数据测量难的问题。

附图说明

图1为本发明一种管道振动响应的整体测量方法的流程图；

图2为本发明实例中管路模型的结构示意图；

图3为本发明实例中激励源的频谱曲线；

图4为本发明实例中C点振动与实验测量的频谱曲线对比图；

图5为本发明实例中D点振动与实验测量的频谱曲线对比图；

图6为本发明实例中C点振动与实验测量的1/3倍频程对比图；

图7为本发明实例中D点振动与实验测量的1/3倍频程对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种管道振动响应的整体测量方法，通过对管路***中少数测点的振动响应测量，根据测得的数据，从而精确对整个管道***中任意点的振动响应情况进行预测，本发明的管道振动响应的整体测量方法具体包括：

S1：基于待测的管路***结构，建立管路模型，并基于管路模型建立动力学模型：

Φ_start＝UΦ_end+Q(F,U,D) (1)

其中，Φ_start表示管路始端的状态向量，Φ_end表示管路末端的状态向量，U表示管路末端和管路始端之间的传递矩阵，Q(F,U,D)为由管路振动的激励源向量F、传递矩阵U和管路边界条件D组成的初始状态向量。边界条件D包括管路结构的支撑形式和管内流体的阻抗。

S2：在待测的管路***中布置多个用于采集管壁振动信号的测点，每个测点均设置一加速度传感器。理论上测点可以布置在管路***中的任意位置，但为了提高后续的预测精度，管路***中布置的测点均匀分布于管路***中。加速度传感器为单向加速度传感器或三向加速度传感器。在实际的情况中，整个管路***中，原则布置一个单向的加速也可以实现测量，单位提高测量精度，如果条件允许，优先布置三个单向加速度传感器或者一个三向加速度传感器)

S3：加速度传感器采集测点的管壁振动加速度信号，同时通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号。加速度传感器采集得到的管壁的振动加速度信号为时域振动加速度信号，因此可以通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号，方便后续使用的需要。

S4：根据采集的时域振动加速度信号或转换得到的频域振动加速度信号，进行振源的识别，确定管路***中等效的激励源的位置和大小，得到等效的激励源向量。对于振源的识别，能够只通过采集得到的时域振动加速度信号进行识别，也能够只通过转换得到的频域振动加速度信号进行识别。同时，通过时域振动加速度信号和频域振动加速度信号进行振源的识别，以及确定管路***中等效的激励源的位置和大小，得到等效的激励源向量，均采用本领域较为习知的技术求得。

S5：将得到的激励源向量带入动力学模型(1)中，并结合公式Φ_r＝EW^-1F得到管路上待考察位置的振动响应情况，其中，Φ_r为待考察位置各方向振动响应组成的状态向量，F为激励源向量，W^-1为由传递矩阵U、边界条件D组成的矩阵的逆阵，E表示提取矩阵，其用于提取待考察位置的状态向量。其中待考察位置即为需要在管路***中进行振动响应预测的某个位置。通过将得到的激励源向量带入动力学模型(1)中，得到管路始端和末端的状态向量，然后结合公式Φ_r＝EW^-1F得到待考察位置各方向振动响应组成的状态向量，即可得到待观察位置的振动响应情况，进而通过上述方法能够预测得出管路***中任意位置的振动响应情况。

以下结合一具体实例对本发明进行具体说明。

对于某个管路***，建立管路模型如图2所示，图中测点布置在A、B两个位置处，通过A和B两个位置的加速度传感器采集得到的时域振动加速度信号，进行振源的识别，得到管路的激励源的位置在在P点，并通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号，识别确认激励源的大小如图3所示，并得到激励源向量，将得到的激励源向量带入动力学模型(1)中，并结合公式Φ_r＝EW^-1F，其中，W^-1为由传递矩阵U、边界条件D组成的矩阵的逆阵，即可得到管路上C点和D点振动响应情况，C点和D点振动响应情况分别参见图4和图5所示，在实际的工程测量中，通常以1/3倍频程的形式表示，因此根据能量叠加方法，可将C点和D点的振动响应线谱转化为1/3倍频程图形，结果分别如图6和图7所示。通过C点和D点，根据图6和图7可以看出本发明的管道振动响应的整体测量方法所预测的某点的预测值和该点的实际测量值相比，误差较小，因此，本发明能够精确实现对于管路***中任意点的振动响应情况的预测。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种管道振动响应的整体测量方法，其特征在于，包括：

S1：基于待测的管路***结构，建立管路模型，并基于管路模型建立动力学模型：

Φ_start＝UΦ_end+Q(F,U,D) (1)

其中，Φ_start表示管路始端的状态向量，Φ_end表示管路末端的状态向量，U表示管路末端和管路始端之间的传递矩阵，Q(F,U,D)为由管路振动的激励源向量F、所述传递矩阵U和管路边界条件D组成的初始状态向量；

所述管路边界条件D包括管路结构的支撑形式和管内流体的阻抗；

S2：在待测的管路***中布置多个用于采集管壁振动信号的测点，每个测点均设置加速度传感器；

S3：加速度传感器采集测点的管壁振动加速度信号，同时通过傅里叶变换将采集得到的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号；

S4：根据采集的时域振动加速度信号或转换得到的频域振动加速度信号，进行振源的识别，确定管路***中等效的激励源的位置和大小，得到等效的激励源向量F；

S5：将得到的所述激励源向量F带入动力学模型(1)中，并结合公式Φ_r＝EW^-1F得到管路上待考察位置的振动响应情况，其中，Φ_r为待考察位置各方向振动响应组成的状态向量，F为所述激励源向量，W^-1为由传递矩阵U和边界条件D组成的矩阵的逆阵，E表示提取矩阵，其用于提取待考察位置的状态向量。

2.如权利要求1所述的一种管道振动响应的整体测量方法，其特征在于：管路***中布置的测点均匀分布于管路***中。

3.如权利要求1所述的一种管道振动响应的整体测量方法，其特征在于：步骤S4中，振源的识别能够只通过采集得到的时域振动加速度信号进行识别。

4.如权利要求1所述的一种管道振动响应的整体测量方法，其特征在于：步骤S4中，振源的识别能够只通过转换得到的频域振动加速度信号进行识别。

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