Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Краячич, Александр Валерьевич

• Краячич, Александр Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Краячич, Александр Валерьевич

Список условных сокращений.

Введение.

Глава 1 Структура построения ИИС для непрерывного мониторинга состояния сложных механических конструкций.

1.1 Анализ требований к системе непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций и определение необходимых типов первичных преобразователей.

1.2 Определение сил для контроля массы и центровки самолета.

1.3 Структура и основные характеристики ИИС.

1.4 Требования к составу сервисного и специального программного обеспечения ИИС.

Выводы к главе 1.

Глава 2 Разработка методики и средств получения метрологических характеристик ИИС

2.1 Методика и средства получения метрологических характеристик измерительных каналов ИИС.

2.2 Разработка автоматизированной калиброванной меры, имитирующей первичные преобразователи.

2.3 Определение характеристик погрешности автоматического калибратора мер.

2.4 Автоматизация процесса получения метрологических характеристик ИИС с программно-управляемой структурой измерительной части.

Выводы к главе 2.

Глава 3 Алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения ИИС.

3.1 Организация контроля измерительных каналов.

3.2 Алгоритмы н программы калибровки измерительных каналов.

3.3 Алгоритмы и программы коррекции результатов измерения.

Выводы к главе 3.

Глава 4 Обработка данных непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций. Опыт применения.

4.1 Разработка алгоритма и особенности применения программ сбора и обработки тензометрической информации.

4.2 Тензометрия и спектральный анализ в мониторинге состояния прочности конструкций и их программная реализация.

4.3 Алгоритмы и программы представления данных мониторинга состояния прочности конструкций.

4.4 Специальное и сервисное программное обеспечение.

4.5 Анализ опыта применения ИИС для мониторинга состояния прочности мостовых конструкций.

4.6 Исследования измерительного модуля с методическим объектом, имитатора полуоси шасси.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций»

Актуальность проблемы. С развитием информационных технологий и совершенствованием измерительной техники, появилась возможность создания систем непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации. К таким сложным механическим конструкциям можно отнести самолёты, продуктопроводы и резервуары в нефтегазовой и химической отраслях, трубопроводную обвязку атомных реакторов и газоперекачивающих станций, плотины, мостовые и современные строительные сооружения и многие другие.

Непрерывный мониторинг состояния прочности позволяет в течение длительного времени получать информацию о напряженно-деформированном состоянии (НДС), о нагрузках, различных воздействиях и других показателях эксплуатации конструкции и принимать эффективные решения по управлению режимом эксплуатации. Средства непрерывного мониторинга состояния (НМС) прочности конструкции это система наблюдения за условиями работы и поведением конструкции, направленная на обеспечение сохранения её функциональных потребительских свойств в заданных пределах с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей предоставление информации о состоянии конструкции в реальном масштабе времени.

Традиционно оценка технического состояния сложной механической конструкции осуществлялась на основе осмотров, обследований (осмотров сооружения, сопровождаемых инструментальными измерениями) или испытаний [1, 2, 3, 35, 36].

Осмотры сложных конструкций являются трудоемкими процессами из-за большого объема обследования и сложности доступа к контролируемым узлам конструкции. В результате осмотров могут быть выявлены лишь те дефекты, которые очевидно нарушают внешние конструктивные параметры конструкции (трещины, недопустимые деформации и т.п.). При этом причины появления указанных дефектов не всегда могут быть точно установлены, что затрудняет принятие решений по их конструктивному устранению и предупреждению.

Применение НМС позволяет фиксировать условия работы и реакцию конструкции непрерывно на внешние воздействия, поэтому внештатные или пиковые воздействия, такие как землетрясения, ураганные порывы ветра и т.п. вместе с соответствующими изменениями в условиях работы конструкции будут зарегистрированы.

Важное преимущество НМС сложной механической конструкции это накопление экспериментальных данных о нагрузках и воздействиях, об условиях работы конструкции, которые могут быть эффективно использованы для повышения надежности и сроков безопасной эксплуатации других сооружений, в том числе при разработке нормативных документов и проектировании.

Основные задачи [20, 23, 30, 39] при создании системы НМС прочности связаны с разработкой достаточно совершенной измерительной системы, с применением которой персонал получает надёжную информацию о состоянии конструкции в реальном масштабе времени.

К этим задачам относятся:

- выбор типа и количества регистрируемых параметров и аппаратных средств для сбора данных;

- разработка алгоритмов преобразования регистрируемых данных к виду, пригодному для контроля;

- сохранение данных и предоставление их по запросу;

- выбор средств и форм предоставления данных для пользователя (разработка интерфейса «Измерительная система-пользователь»).

Основное отличие систем НМС прочности эксплуатируемых конструкций от измерительных систем для стендовых или лабораторных испытаний конструкций, или других испытаний это разнообразие измеряемых параметров и непрерывный режим работы, сопоставимый со сроками службы конструкции. Во многих случаях существует большая линейная протяженность объекта измерения, при которой использование одного измерительного прибора или нескольких локально расположенных приборов не возможно из-за ограничений в длине кабелей, присоединяющих датчики и средства вычислительной техники. В этих случаях, как по соображениям экономичности, так и по техническим характеристикам, целесообразно применение средств беспроводной связи.

Измерительные системы для НМС прочности должны иметь небольшие массогабаритные параметры, работать на открытом воздухе в условиях больших перепадов температур, высокой влажности, атмосферных осадков. Кроме того, эти системы должны обладать низким энергопотреблением, что позволяет обеспечивать бесперебойность их питания на довольно длительном промежутке времени от внутреннего источника электроэнергии.

Основными исходными данными о состоянии прочности конструкции являются общие перемещения и деформации конструкции или сооружения и его частей; напряжения (относительные деформации) в сечениях элементов; местные деформации (раскрытие трещин и швов, смещений в соединениях), а также угловые деформации, взаимные перемещения частей сооружения, усилий в элементах и т.п.

Выявление состояния прочности и условий работы конструкций и сооружений, при действии переменных нагрузок (в ограниченном диапазоне частот) должно выполнятся системой мониторинга в реальном масштабе времени с применением методов спектрального анализа и подсчёта усталостного повреждения конструкции.

Особо важным фактором надёжности при длительной эксплуатации систем НМС прочности является наличие в ней встроенной подсистемы диагностики работоспособности и упрощённой оценки метрологических характеристик измерительных трактов. Периодическое детальное определение метрологических параметров системы НМС должно проводиться без демонтажа системы с объекта, что требует создания автоматизированных калибруемых мер, дистанционно управляемых по каналам беспроводной связи.

Учитывая вышеперечисленное, можно отметить, что в настоящее время существует проблема создания информационно-измерительных систем (ИИС) для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации.

В представленной работе, в отличие от ряда выполненных работ [6, 7, 20, 23, 30, 38, 41] по данной тематике, последовательно рассматриваются этапы исследований и разработки аппаратно-программных средств для создания информационно-измерительной системы и автоматизированной калибруемой меры (АКМ), обеспечивающей ее метрологические испытания. Решение каждого этапа потребовало значительных интеллектуальных и материальных затрат при проектировании, создании и внедрении ИИС.

Цель работы - разработка малогабаритной информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций. Достижение цели включает разработку оригинальных способов реализации измерительных средств, сбора, преобразования и обработки измерительной информации, системного и прикладного программного обеспечения, разработку полностью автоматизированного процесса анализа основных метрологических характеристик ИИС, обеспечивающих единство измерений и сопоставимость результатов испытаний.

Методы исследований. Результаты разработок, изложенные в диссертации, базируются на системном подходе и получены путем теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы методы функционального, спектрального, корреляционного анализа, линейной алгебры, и современные методы измерительной и вычислительной техники.

Научная новизна. Сформулирована, обоснована и решена научно-техническая проблема создания малогабаритных ИИС для обеспечения непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций, имеющая важное народно-хозяйственное значение, связанная с созданием основ и практической реализацией специализированных средств измерения. Предложен подход к решению этой проблемы, базирующийся на разработанных автором методах и алгоритмах построения средств измерения, позволяющих автоматизировать процесс получения достоверной информации с многочисленной гаммы датчиков активного и пассивного типов, территориально рассредоточенных и расположенных в критических зонах объекта испытания.

Этот подход потребовал создания новых аппаратно-программных средств: введения встроенного аварийно-профилактического контроля, предварительной калибровки и последующей коррекции результатов измерения в процессе эксплуатации, построения и разработки алгоритмов работы многофункциональной структуры измерительной части ИИС. Предложены:

- Вариант построения и алгоритмы управления измерительной частью переменной структуры ИИС;

- метод калибровки ИИС для функционирования в широком температурном диапазоне эксплуатации (-40 — +60) °С и алгоритмы коррекции результатов измерения в этих условиях эксплуатации;

- метод построения автоматической калиброванной меры (АКМ) и алгоритмы полной автоматизации процесса получения метрологических характеристик многофункциональной многоканальной ИИС;

- алгоритмы и программное обеспечение для мониторинга состояния прочности объекта контроля.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные результаты позволяют обоснованно разрабатывать ИИС для измерений разнообразных величин при проведении испытаний на прочность и определения расхода ресурса сложных механических конструкций, выполнять непрерывный мониторинг состояния прочности при эксплуатации, а также автоматически оценивать основные метрологические характеристики системы.

Предложенные методы по реализации ИИС легли в основу создания ряда систем «ТЕНЗОР» [27, 28], используемых для системы измерения массы и центровки самолётов (СИМЦ) и непрерывного мониторинга прочности конструкции пешеходного моста из композитных материалов.

На защиту выносятся предложенные методы построения, алгоритмы функционирования и программное обеспечение для вновь разработанной информационно-измерительной системы.

Апробация работы. Доклад на научно-техническом симинаре (НТС) НИЦ «Комплекс» в ноябре 2007г. во «Всероссийском электротехническом институте имени В.И. Ленина». Доклад в марте 2008г. на НТС НИО-16 в «Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н.Е.Жуковского». Доклад на межкафедральном семинаре в июне 2008г. в «Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина».

Публикации. Цикл статей в журнале издательства ИПУ РАН «Датчики и системы» №№ 5, 6, 8 и 10 за 2006 г [13, 14, 15, 16], разрешённый ВАК РФ для публикации материалов докторских и кандитатских диссертаций.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Краячич, Александр Валерьевич

1. На основе анализа требований, предъявляемых к системам непрерывного мониторинга прочности сложных механических конструкций, поставлена и решена задача исследования и разработки малогабаритной информационно-измерительной системы, обеспечивающей длительную, а также автономную работу для непрерывного мониторинга прочности в сложных климатических условиях.2. В результате проведенных исследований разработаны следующие решения и аппаратные средства для построения измерительно-вычислительного модуля ИИС: • разработана новая модификация программно-управляемой измерительной части ИВМ с переменной структурой, обеспечивающая работу системы с первичными преобразователями различных видов как активного, так и пассивного типов; • применена беспроводная связь с вычислительным модулем, позволяющая передавать информацию с измерительно-вычислительных модулей, находящихся в труднодоступных местах конструкции; • на основании ГОСТ 8.009-84; ГОСТ 8.326-89 и ГОСТ 8.401-80 предложена методика получения метрологических характеристик многофункциональной многоканальной ИИС и предложено стандартное образцовое оборудование, и его использование (схемы подключения) при метрологических испытаниях ИИС; • разработан и реализован автоматический калибратор мер (АКМ), базирующийся на использовании последовательного низкоомного резистивного делителя, имитирующего приращения сопротивлений образца (датчика) любого номинала, а также напряжения, с погрешностью не более 0.05%, что позволяет использовать АКМ в качестве автоматической быстродействующей рабочей меры всех видов датчиков и схем их включения для ИВМ; • с помощью АКМ на основании предложенной методики и созданной системы обеспечена возможность определения основных метрологических характеристик ИИС непосредственно на объекте для поверки всех измерительных трактов ИИС, без первичных преобразователей; • разработана и реализована методика калибровки и коррекции результатов измерения ИИС в зависимости от температуры окружающей среды, обеспечивающая погрешность не хуже ±0.2% и надежность процесса непрерывного мониторинга прочности конструкции. Для этого в состав ИВМ была дополнительно введена встроенная подсистема всех видов образцов датчиков, фиксирующая начало и конец заданного диапазона измерения любого вида датчика. По показаниям датчика температуры ИВМ, измерениям образцов датчиков и калибровочных кодов производится коррекция результатов измерения в процессе эксплуатации.3. Для реализации работы технических средств, перечисленных в п.2, потребовалось применение микроконтроллеров, встроенных в измерительно-вычислительный модуль, что определило разработку новых алгоритмических решений и развитого программного обеспечения ИВМ, а именно: • алгоритмов и программ управления изменением конфигурации измерительной части системы; • алгоритмов и программ сбора данных для тензометрирования механической конструкции; • алгоритмов и программ контрольных измерений; • алгоритмов и программ коррекции результатов измерений; • алгоритмов и программ сбора данных для спектрального анализа нагруженности конструкции; • алгоритмов и программ сбора и обработки данных для мониторинга прочности механических конструкций; • программ управления каналом беспроводной передачи данных от измерительно вычислительного модуля к внешней ЭВМ. • алгоритмов и программы сбора и обработки и данных для метрологической поверки измерительных трактов;

4. Кроме программ управления и сбора данных, обеспечивающих работу микроконтроллеров измерительной части системы разработаны алгоритмы и программы обработки и представления информации на внешней ЭВМ. К ним относятся: • алгоритм и программа подготовки исходных данных для настройки конфигурации ИВМ и выбора параметров проведения процессов измерения; • алгоритм и программа представления результатов мониторинга; • алгоритм и программа представления результатов тензометрирования конструкции; • алгоритм и программа представления результатов спектрального анализа; • алгоритм и программа обработки результатов метрологических испытаний.5. На основании разработанных алгоритмических и схемотехнических решений созданы опытные образцы ИИС «ТЕНЗОР», которые прошли практическую апробацию при непрерывном мониторинге состояния прочности пешеходного моста из композиционных материалов, расположенного в г. Москва, район Чертаново, а также для определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов шасси самолетов при определении их массы и центровки в процессе загрузки.6. ИИС «ТЕНЗОР» проработала на композиционном мосту более одного года и подтвердила свои эксплуатационные характеристики при всесезонном использовании.7. Система измерения массы и центровки (СИМЦ) подготовлена для сертификации (в

8. На основании проведенных исследований и опытных проверок схемотехнических решений в ИИС «ТЕНЗОР» рекомендуется при эксплуатации ИИС в эксплуатационных блок контрольных образцовых датчиков, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для выбранной схемы их подключения, по показаниям встроенного в него датчика температур), алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения.9. На основании проведенных исследований и опытной эксплуатации автоматического калибратора мер рекомендуется для автоматизации метрологических исследований проблемно ориентированных ИИС разрабатывать и применять АКМ, что позволит существенно сократить время их проведения в десятки раз, исключит субъективный фактор и не потребует гамму образцовых средств. При этом открываются, учитывая малое время переключения в АКМ-20 мкс, возможности исследования динамических метрологических характеристик проблемно ориентированных ИИС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Краячич, Александр Валерьевич, 2008 год

1. A. Del Grosso, D. Inaudi, L. Pardi .Overview of European activities in the health monitoring of bridges. Proc. First Int. Conf. on Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

2. A.E. Aktan, F. N. Catbas, K. Grimmelsman, M. Pervizpour, J. Curtis, K. Shen and X. Qin .A theory of health monitoring for highway bridges., Proc. First Int. Conf. On Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

3. H.-M. Koh, S.P. Chang, S.-K. Kim, C.-Y. Kim, W.J. Kim .Development and application of health monitoring system for bridges in Korea., Proc. First Int. Conf. On Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

4. S. Sumitro, Y. Matsui, M. Kono, T. Okamoto, and K. Fujiib «Long span bridge health monitoring system in Japan», Proc. SPIE Vol. 4337, 2001, P 517-524.

5. SDCC — С-компилятор для микроконтроллеров. Интернет - адрес: http://sdcc.sourceforge.net/

6. Адаптер порта OSA-104 - http://vvvvw.altonika.ru

7. Архангельский А.Я. «Приемы программирования в C++ Builder 6 и 2006», - М: Бином, 2006г.

8. Архангельский А.Я. «Программирование в C++ Builder 6» - М.: Бином, 2003г.

9. Блохин В.К., Крутиков О.В., Марасанов А.И. Опыт контроля напряженно- деформированного состояния арочного пролетного строения Андреевского моста при перевозке его на новое место.- Транспортное строительство.- 2000.- №9. 11-15.

10. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерений ИВК "ТЕНЗОР". - Датчики и системы. -2006. - №6. с. 5-9. 11. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Малогабаритный измерительно-вычислительный комплекс "ТЕНЗОР" для мониторинга прочности сложных механических конструкций». — Датчики и системы. - 2006. - №5. с. 2-7.

12. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса "ТЕНЗОР"». — Датчики и системы. - 2006. - №8.

13. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Программное обеспечение ИВК "Тензор"' для прочностного анализа конструкций». — Датчики и системы. — 2006. -№10.

14. Гальченко Е.В. Методика определения собственных частот и декрементов колебаний. НПП «АпАТэК» инв. №523тд, 2004г.

15. Гоноровский И. С, Демин М. П. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Радио и связь, 1994г.

16. ГОСТ 17624-87 (с попр. 1989) Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

17. Егоров М.И., Баранов Д.С. Мониторинг напряженно-деформированного состояния несущих конструкций уникальных сооружений Москвы. Интернет - адрес: http://www.gvozdik.ru/aiialil/225.html. 2002.

18. Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики. М. Энергоатомиздат, 1987г.

19. Крутиков О.В. «Экспериментальное определение прогибов моста при измерении деформаций и оценка временной подвижной нагрузки». - Вестник МИИТа// вып.9.-М.: МИИТ, 2003. 98-101.

20. Крутиков О.В. и др. Разработка проекта длительного приборного мониторинга эксплуатируемых мостов. Отчет о НИР. МИИТ, 2004.

21. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М. Мир, 1983г.

22. Переселенков Г.С., Звягинцев А.Н., Павлов Е.И., Матвеев И.К. «Динамика и ресурс малых автодорожных мостов». - Транспортное строительство.- 2001.- №11. 17-21.

23. Подборонов Б.П. и др. Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «Тензор», Техническое описание, НПП «АпАТэК» №38то, 2004г.

24. Подборонов Б.П. и др. Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «Тензор», Технические условия, НПП «АпАТэК» №38ту, 2004г.

25. Самолинов Н.А. Использование неразрушающих методов контроля прочности конструкций при определении остаточного ресурса зданий и сооружений. Интернет — адрес: http://\v\vw.gosstrov.ru:8080/seism?doc&nd=91500054 l&nh=0. 2002.

26. Свирский Ю.А. и др. «Анализ работы встроенной системы мониторинга пролётных строений пешеходного перехода (моста) у о.п. «Чертаново» Московской ж.д.». Отчет НПП «АпАТэК» № 274о, 2005г.

27. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов мониторинга LSM и сервисная программа. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» №273о, 2005г.

28. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов спектрального анализа SSM. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» №272о, 2004г.

29. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов тензометрии TSM и сервисные программы. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» № 271 о, 2004г.

30. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы», Москва. Госстрой СССР, 1991 г.

31. СНиП 3.06.07-86 «Мосты и трубы. Правила обследования и испытаний», Москва, Госстрой СССР, 1987.

32. Стандарт предприятия. «Методика, алгоритмы и требования к программному обеспечению при метрологической аттестации ИВК и ИИС», М, ЦАГИ, 1986.

33. Шапиро Л.Б., Шишкина Д.В., Николаев В.Е., Галахов В.А., Тимофеев В.П., Богданов А.А. Сооружение арочного пролетного строения нового Краснолужского моста через р. Москву в Москве.- Вестник мостостроения.- 2002.- №1-2. 25-27.

34. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М. Иностранная литература, 1963г.

35. Шестоперов Г.С. «Уточнение сейсмичности пункта строительства объекта при проектировании транспортных сооружений». - Транспортное строительство.- 2001.- №12. 12-14.

36. Бодров В.Е, Краячич А.В.,Подборонов Б.П. «Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «ТЕНЗОР» - Годовой научно-технический отчёт ФГУП ЦАГИ 2004 г. стр.357-359.

37. Бодров В.Е., Краячич А.В.,Подборонов Б.П., Стерлин А.Я. .«Обеспечение метрологических испытаний ИВК «СИМЦ» для измерения массы и центровки самолётов» - Годовой научно-технический отчёт ФГУП ЦАГИ 2005 гетр. 297-301.

38. Краячич А.В., Сидоров Г.И. с группой соавторов. «Разработка макета мобильной системы измерения массы и центровки самолётов». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5418 октябрь 2004г.

39. Краячич А.В., Сидоров Г.И. с группой соавторов. «Исследования по разработке мобильного ИВК «Тензор» для мониторинга НДС конструкций шасси». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5375 ноябрь 2003г.

40. Краячич А.В. с группой соавторов. «Разработка специального аппаратно-программного обеспечения системы предполетного измерения массы и центровки самолетов».- Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5448 май 2005г.

41. Краячич А.В. с группой соавторов. «Разработка методики и проведение испытаний опытного образца системы предстартового измерения массы и центровки самолета». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5467 декабрь 2005г.

42. Подборонов Б.П., Фурман А.В., Шевчук В.В. А.с. №417905 (СССР). Компенсированный ключ. - опубл. 28.02.74, бюлл. №8.