[发明专利]一种采煤机摇臂振动传感器优化布置方法

权利要求书

1.一种采煤机摇臂振动传感器优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立摇臂壳体的有限元模型；

（2）基于功率流方法的可布置区域划分；

21）运用有限元分析软件对摇臂壳体进行谐响应分析，得到每个单元的受力；

22）提取每个单元的受力，根据板壳功率流理论计算出摇臂壳体中功率流分布；

23）根据功率流计算结果，划分出振动传感器的可布置区域；

（3）基于粒子群算法的传感器数量及位置优化

31）根据步骤21）分析出的传感器可布置区域选取m个监测点作为初始监测点；

32）运用有限元分析软件对摇臂壳体进行模态分析，得到m个监测点的各阶模态振型，并将所得到的各阶振型组成模态向量矩阵；

33）根据模态置信准则MAC，从m个监测点中选取n个监测点作为摇臂壳体的监测点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤21）的谐响应分析中可把其它轴对壳体施加的力看成是一种预应力，对壳体先进行有预应力的静态分析后，再进行有预应力的谐响应分析。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤32）中所组成的模态向量矩阵维数根据期望传感器数目确定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤33）根据模态置信准则优化传感器监测点，以MAC矩阵非对角元素最大值作为优化对象，以测点数为粒子，应用粒子群优化算法进行传感器位置寻优。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，板壳单元横向振动的功率流表达式如下所示：

Px1=<Qxw·>t+<Mxθ·y>t-<Mxyθ·x>tPy1=<Qyw·>t+<Myθ·x>t-<Myxθ·y>t]]>

式中，P_x1为x方向截面的横向功率流，P_y1为y方向截面的横向功率流，w为单元的z方向的位移，Q_x、Q_y分别为单元x方向和y方向的剪切力，M_x、M_y分别为单元x方向和y方向的弯矩，θ_x、θ_y分别为单元的x、y方向的角位移；

板壳单元纵向振动的功率流表达式如下所示：

Px2=<Nxu·>t+<Nxyv·>tPy2=<Nyv·>t+<Nyxu·>t]]>

式中，P_x2为x方向截面的纵向功率流，P_y2为y方向截面的纵向功率流，u、v分别为单元的x和y方向的位移，N_x，N_y和N_xy=N_yx为单元所受的薄膜力；

板壳单元总振动功率流表达式为：

Px=<Nxu·>t+<Nxyv·>t+<Qxw·>t+<Mxθ·y>t-<Mxyθ·x>tPy=<Nyv·>t+<Nyxu·>t+<Qyw·>t-<Myθ·x>t+<Myxθ·y>t]]>

式中，P_x为x方向截面的总功率流，P_y为y方向截面的总功率流，

用功率流分析摇臂壳体传感器可布置区域，首先在ANSYS后处理器中编制程序提取每个单元节点的应力，然后分别根据板壳单元横向功率流、纵向功率流和总功率流编制计算程序，计算壳体中的功率流，最后绘制功率流云图和矢量图。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用粒子群优化算法对摇臂壳体的传感器进行优化，首先要建立壳体的有限元模型，然后对壳体进行模态分析，在功率流计算出的传感器可布置区域内将传感器进行编号，根据模态计算的结果，列出所有编号节点的位移模态并组成模态向量，根据实际情况与要求随机选取选择m个监测点作为初始监测点，根据模态置信准则计算MAC矩阵，然后用粒子群优化算法进行优化，最后得出最优的n个监测点的传感器组合；

MAC矩阵表示为：

MACij=(φiT·φj)(φiT·φi)·(φjT·φj)]]>

式中，φ_j、φ_j分别为第i阶和第j阶的模态向量；MAC矩阵非对角元素MAC_ij（i≠j）应介于0和1之间，当MAC矩阵非对角元素MAC_ij（i≠j）等于1时，表明两模态向量间的交角为0，此时两模态向量不可分辨，当MAC矩阵非对角元素MAC_ij（i≠j）等于0时，表明两模态向量相互正交，此时两模态向量将很容易识别，另外，MAC矩阵非对角元素MAC_ij（i≠j）小于0.25表示两个模态向量较易分辨，因此在传感器优化布置过程中，应尽量使MAC矩阵非对角元最小。