СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
METHOD OF RECONSTRUCTING MULTI-PARAMETER MODELS OF OSCILLATORY PROCESSES OF MECHANICAL SYSTEMS

Изобретение относится к области исследования колебательных процессов упругих механических систем в машиностроении, строительстве, акустике и т.п.
Известны способы мониторинга машин и сооружений в процессе их эксплуатации или испытания, описанные в патентах RU 2194971, US 5602761, US 6763312, US 7225109, предполагающие измерения параметров вибрации машин или сооружения посредством датчиков виброускорений для анализа значений параметров деформации элемента объекта в месте установки датчика.
Недостатком этих известных способов является использование датчиков виброускорений, измеряющих значение проекции ускорения на измерительную ось датчика и не позволяющих определять величину и направление вектора деформации (вибросмещения и его производных).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является патент на способ мониторинга машин и сооружений RU 2371691 от 22.04.2008 г. Способ включает измерение посредством, по крайней мере, одного датчика ускорений параметров вибрации объекта, определение, в частности вычисление и анализ значений параметров вибрации элемента объекта мониторинга в месте установки датчика. При этом используют датчик, синфазно (синхронно) измеряющий три ортогональные проекции вектора ускорения, определяют вектор (значение и направление) деформации объекта мониторинга в месте установки датчика, накапливают во времени массив векторных величин деформации, отображают на мониторе, по крайней мере, для одной частоты вибрации пространственно-временной годограф вектора деформации относительно системы координат, связанной с объектом мониторинга, и определяют по форме годографа наличие анизотропии в деформациях объекта в месте установки датчика.
Недостатком этого известного способа является то, что он не позволяет реконструировать связанные во времени многомерные образы метрологических и расчетно-аналитических спектральных параметров колебательных процессов в механических системах.
Для эффективного использования возможностей существенного повышения информативности измерений колебательных процессов в механических системах за счет применения векторных виброакселерометров и 3D-приемников механических колебаний необходимо создание (формирование) многомерных системно связанных спектральных параметрических образов диагностических параметров колебательных процессов, адекватных физической сути и фундаментальным закономерностям исследуемых и управляемых природных процессов и явлений.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения эффективности исследования и оценки состояния колебательных процессов в механических системах.
Техническим решением поставленной задачи является предлагаемый способ реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов механических систем.
Техническим результатом осуществления данного изобретения является создание системно связанных многопараметрических, многоуровневых, иерархически организованных кибернетических образов колебательных процессов (поверхностных и объемных) в механических системах.
Техническим решением является предлагаемый способ, который содержит создание множества трехмерных эллиптических образов (годографов) векторов линейных виброускорений, и/или виброскоростей, и/или вибросмещений в местах установок (измерительных точках) векторных датчиков (3D-приемников) на основании синхронно измеряемых пространственных динамических (изменяющихся во времени) компонентов векторов диагностических параметров, накопление спектральных массивов измеряемых и расчетных, в том числе аппроксимируемых, векторных и скалярных величин в выбранном диапазоне частот механических колебаний, нанесение измеренных и расчетных диагностических параметров в измерительных точках на 3D-модель объекта мониторинга или исследования, представление в виде 3D-реконструкции спектрального множества пространственных эллиптических годографов меняющихся во времени векторных величин деформации, определение через соотношение величин и направление осей эллипсоида годографа вектора деформации характеристических параметров внешних силовых факторов и их взаимного расположения относительно измерительных точек, а также напряженно-деформированных состояний.
Метрологические и расчетные векторные параметры физически взаимосвязаны между собой тензорным образом, являются существенными и системными с образованием устойчивой совокупности признаков для адекватного физической природе отображения динамического гомеостаза объекта исследования. Интегральный образ реконструкции колебательных процессов объекта может быть использован в процессе дальнейшего мониторинга и управления объектом.
Техническим результатом является создание спектрального множества многомерных образов, отображающих связанные во времени трехмерные векторные параметры метрологических, и/или расчетно-аналитических, и/или проектных параметров колебаний механических систем. Интегрированные в разных сочетаниях реконструированные образы разной мерности, в зависимости от целевой функции, могут использоваться в качестве гомеостатического портрета или кибернетического образа колебательных процессов в механических системах для объективной оценки в реальном времени текущих эксплуатационных состояний.
Указанный технический результат в предлагаемом способе реконструкции образов колебательных процессов достигается тем, что устройство реализации способа содержит блок пространственно-временных измерений, блок синхронизации преобразования пространственно-временных измерений, блок цифрового запоминающего устройства, блок спектральной обработки измеряемых векторных параметров, блок реконструкции измеряемых параметров, блок нормированных матриц тензорного преобразования, блок расчетных диагностических параметров механических колебаний, блок реконструкции 3D-модели объекта, блок реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов, блок визуализации реконструируемых параметров, блок документирования, блок организации системного взаимодействия всех блоков. Сравнение аналога и предлагаемого способа.
Из сравнения аналога и предлагаемого изобретения следует, что общими существенными признаками являются содержание в способах процессов измерения параметров колебаний механических систем в заданном диапазоне частот с помощью 3D-приемника механических колебаний, определение годографа вектора деформации элемента объекта мониторинга или исследования в месте установки приемника, а отличительные существенные признаки заключаются в содержании в предлагаемом способе процессов создания 3D-модели исследуемого объекта, отображения измеряемых и физически связанных с ними расчетных векторных величин колебательных процессов на этой модели, определение распределения на ней контурных характеристик реконструируемых параметров с 3D-апроксимацией непрерывно измеряемых в заданных дискретных точках элементов исследуемого объекта параметров, создание графических срезов и сечений контурных характеристик реконструируемых параметров, выделение фронтов параметров и локальных зон по заданным критериям, что позволяет создавать многопараметрические кибернетические образы колебательных состояний исследуемых объектов механических систем.
Предлагаемое изобретение обладает новизной, так как изобретатели не нашли подтверждения применения такого же способа по такому же назначению.
Изобретателям не известны технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого способа, поэтому мы считаем, что техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение может широко использоваться для повышения эффективности мониторинга и исследования колебательных процессов механических систем (объектов) в машиностроении, строительстве, акустике и т.п., поэтому данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется фиг.1-2, где схематично изображена структура измерения и формирования диагностических параметров механических колебаний (фиг.1) и блок-схема устройства реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов механических систем (фиг.2).
На фиг.2 обозначения: 1 - 3D-приемники механических колебаний, 2 - трехканальные блоки синхронного усиления и преобразования заряда, 3 - устройство/блок синхронной передачи измеренных компонентов параметров механических колебаний, 4 - устройство/блок синхронного аналого-цифрового преобразования и ввода в процессор компонентов параметров механических колебаний, 5 - блок/массив цифрового запоминающего устройства измеренных компонентов параметров механических колебаний, 6 - блок спектральной обработки измеренных компонентов параметров механических колебаний, 7 - блок/массив нормированных матриц тензорного преобразования, 8 - блок/массив спектральной реконструкции эллиптических годографов диагностических пространственно-временных параметров в измерительных точках, 9 - блок/массив реконструкции 3D-модели объекта, блок/массив реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов, 10 - блок/массив реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов, 11- блок визуализации диагностических параметров, 12 - блок документирования, 13 - блок синхронизации преобразования пространственно-временных измерений, 14 - блок организации системного взаимодействия всех блоков, 15 - шины передачи информации и управления.
Способ реконструкции многопараметрических образов колебательных процессов механических систем осуществляется следующим образом.
Спектр волновых колебаний, синтезируемых внешними силовыми факторами в виде действия сил и моментов или внутренними патологиями материала конструкции, распространяясь по контурной поверхности и объему объекта мониторинга или исследования, воздействует на чувствительные элементы 3D-приемников механических колебаний, установленных в измерительных точках контурной поверхности объекта. Метрологическое средство осуществляет обратное тензорное преобразование воздействующего на него спектра деформаций и пространственно-временное измерение суперпозиции компонентов спектрального множества метрологических параметров в декартовой системе координат приемника. Измеренные аналоговые параметры синхронно преобразуются в цифровой вид и вводятся в цифровое запоминающее устройство для спектральной обработки (фильтрации) и векторно-фазовой реконструкции массивов эллиптических метрологических параметров. Для сохранения линейности связанных метрологических и расчетных диагностических параметров необходимо нормировать измерения относительно максимальных (предельных) значений, определяемых техническими характеристиками метрологических средств и расчетными коэффициентами преобразования физических величин.
Многомерное связанное пространственно-временное множество обоснованно необходимых расчетно-метрологических параметров колебательных процессов составляет суть кибернетического образа объекта и определяет степень его адекватности синтезированному природой спектру механических колебаний. Далее, в зависимости от поставленной задачи, на основании пространственных измерений рассчитываются текущие значения диагностических параметров, позволяющих судить о системном динамическом состоянии (гомеостазе) объекта. В блоках визуализации и документирования реконструируемых параметров формируются графические векторно-фазовые, в том числе эллиптические, и скалярные образы, позволяющие объективно анализировать и эффективно диагностировать текущее гомеостатическое состояние объекта. Достоверность кибернетического образа объекта поддерживается синхронным системным взаимодействием всех блоков, формирующих, обрабатывающих, запоминающих и отображающих множество расчетно-метрологических параметров колебательных процессов.