1.本发明涉及管道传感器布置技术领域，具体地，涉及一种基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法。
背景技术：2.依据现有的软硬件设备和观测手段可以对各种机械设备和配套管线结构进行实时监测。依据监测到的数据可以对设备的工作情况进行智能诊断，并在发生机械故障时即使采取应急措施避免发生严重的安全事故。
3.作为维护机械设备的关键配套结构，管道的振动情况直接影响到相关机械设备的工作状态和使用寿命。要对管道的工作状况进行实时监测，必须依赖各种信号的传感器相互配合，并且传感器要布置在合理的位置才能获得有效的监测数据，配合数据的中央处理系统和特定的数据计算方法对各传感器记录数据进行统一处理，可以得到整个管道的振动特征。
4.目前的管道振动传感器布置位置选择往往是基于管道的结构本身，一般选择如下部位：1)管道柔性较大的弯头；2)靠近振源的位置；3)两个固定点之间的悬空位置；4)管道与重要设备的接口部位；5)管道中有阀门、三通等大的集中质量的部位；6)管道模态分析中的较大响应部位。但这些管道振动传感器监测位置的选取原则过于依赖于工程师的经验，没有形成统一的标准化方法，经常发生传感器布置冗杂无效化，或者避开了关键位置忽略了重要信息。
技术实现要素：5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，可以使用较少的传感器来获得管道上全面的振动特征，减少管道监测设备的成本，提供有效的监测数据，并配合相关计算方法，可有效地避免管道的异常振动情况。
6.为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：一种基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，具体包括如下步骤：
7.步骤1、依据工程图纸建立管道的三维模型，导入ansys workbench数值模拟系统中，进行网格划分并根据管道的应用场景设置管道运行参数，设置模态分析初始阶数，得到管道模型；
8.步骤2、将得到的管道模型进行模态分析，获取管道模型各阶振动模态响应、振型和传感器的预设位置，并通过传感器的预设位置得到全阶次振动响应函数的特征矩阵；
9.步骤3、根据传感器的预设位置布置传感器，测量振动响应向量，并结合特征矩阵反演振动特征值；
10.步骤4、通过振动特征值和管道模型各阶振动模态响应的振型计算管道中任一点的振动计算值；将振动计算值和实测值进行对比得到反演误差，若反演误差超过10％，增加
模态分析阶数，重复步骤2-4；否则，输出传感器的布置位置。
11.进一步地，步骤2包括如下子步骤：
12.步骤21、将管道模型进行模态分析计算，得到管道模型在各模态的振动位移响应和振型，将管道模型各阶模态的最大响应位置作为预定的传感器布置位置，并编号；
13.步骤22、根据传感器布置位置处管道振动的位移特征b1和频率特征b2获取振动响应函数，并将位移特征b1和频率特征b2组成全阶次振动响应函数的特征矩阵b。
14.进一步地，所述特征矩阵b＝b1·
b2。
15.进一步地，步骤3中反演振动特征值的过程为：
16.b
×
c＝d
17.其中，b为特征矩阵，c为振动特征值，d为测量的振动响应向量。
18.进一步地，所述模态分析初始阶数设置为6。
19.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明管道传感器布置方法基于模态仿真数据，将管道的仿真结果进行充分挖掘，依据管道的振型特征，提出了全阶次振动响应函数的特征矩阵的建立方法和反演振动特征值求解方法，并配合实测数据，可以实现仿真数据与实测数据相结合。此方法可以使用较少的传感器来获得管道上全面的振动特征，减少管道监测设备的成本，提供有效的监测数据，并配合相关计算方法，可有效地避免管道的异常振动情况。
附图说明
20.图1为本发明基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法的流程图；
21.图2为调相机转子润滑油供油管道模型示意图；
22.图3为调相机转子润滑油供油管道模型通过模态分析预设传感器的布置位置示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
24.如图1为本发明基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法的流程图，该管道传感器布置方法具体包括如下步骤：
25.步骤1、依据工程图纸建立管道的三维模型，导入ansys workbench数值模拟系统中，进行网格划分并根据管道的应用场景设置管道运行参数，依据工程经验设置模态分析初始阶数为6，得到管道模型；本发明中初始阶数若设置过小，会增加数据计算误差，若初始阶数设置过大，则会增加运行成本。
26.步骤2、将得到的管道模型进行模态分析，获取管道模型各阶振动模态响应的振型和传感器的预设位置，并通过传感器的预设位置得到全阶次振动响应函数的特征矩阵；具体包括如下子步骤：
27.步骤21、将管道模型进行模态分析计算，得到管道模型在各模态的振动位移响应和振型，将管道模型各阶模态的最大响应位置作为预定的传感器布置位置，并编号；以最大响应位置作为传感器布置位置可以使用较少的传感器得到管道的振动状态；
28.步骤22、根据传感器布置位置处管道振动的位移特征b1和频率特征b2获取振动响
应函数，并将位移特征b1和频率特征b2组成全阶次振动响应函数的特征矩阵b＝b1·
b2；本发明中振动响应函数的格式为正弦函数asin(ωt)，b中的每个元素都符合这一格式，并忽略了时间项。
29.步骤3、根据传感器的预设位置布置传感器，测量振动响应向量c，并结合特征矩阵反演振动特征值d，具体的反演过程为：b
×
c＝d。
30.步骤4、通过振动特征值和管道模型各阶振动模态响应的振型计算管道中任一点的振动计算值；将振动计算值和实测值进行对比得到反演误差，若反演误差超过10％，表示初始阶数较小，导致数据计算误差较大，需要增加模态分析阶数，重复步骤2-4；否则，输出传感器的布置位置。
31.本发明基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法通过使用较少的传感器和模态分析数据来快速、准确获得管道上全面的振动特征，减少传感器布置成本。
32.实施例
33.以调相机的转子轴承润滑油供油管道为例，如图2所示，附图标记1-11的位置代表可能的振动较大位置，若使用现有的方法至少布置11套传感器，若使用本发明基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法进行传感器布置，传感器的数量降为6个，并且成本会大大降低。具体分析过程如下：
34.(1)依据工程图纸建立管道的三维模型，导入ansys workbench数值模拟系统中，进行网格划分并根据管道的应用场景设置管道运行参数，设置模态分析初始阶数为6，得到管道模型；
35.(2)将得到的管道模型进行模态分析，获取管道模型各阶振动模态响应、振型和传感器的预设位置，并通过传感器的预设位置得到全阶次振动响应函数的特征矩阵；具体地，
36.步骤21、将管道模型进行模态分析计算，得到管道模型在各模态的振动位移响应如表1和振型，将管道模型各阶模态的最大响应位置作为预定的传感器布置位置如图3，并编号(kj，j＝1，2，
…
，6)，各模态的频率和各监测点的振幅见表2；
37.表1管道模型的各阶模态振动位移响应
38.[0039][0040]
表2各模态的频率和各监测点的振幅
[0041][0042]
步骤22、根据传感器布置位置处管道振动的位移特征b1和频率特征b2获取振动响
应函数，并将位移特征b1和频率特征b2组成全阶次振动响应函数的特征矩阵b，其中，位移特征b1表示如下：
[0043][0044]
频率特征b2表示如下：
[0045][0046]
步骤3、根据传感器的预设位置布置传感器，测量振动响应向量d，并结合特征矩阵反演振动特征值c；
[0047]b×
c＝d
[0048]
c＝(c1,c2,c3,c4,c5,c6)
t
[0049]
d＝(d1,d2,d3,d4,d5,d6)
t
[0050]
其中，ci，i＝1～6，表示需要求解的6个振动向量特征值；di，i＝1～6，表示通过传感器测得的振动响应向量。
[0051]
步骤4、联立表1中的管道模型各阶振动模态响应振型，得到反演后的全局管道振动计算值e，管道中任意一点的振动信息都可以在e中得到。
[0052]
(m.1,m.2,m.3,m.4,m.5,m.6)
×
c＝e
[0053]
将振动计算值和实测值进行对比得到反演误差，计算得出反演误差为8.2％，小于10％，说明初设的模态阶数合理。
[0054]
通过以上的模态特征提取与反演方法，得到了管道传感器在管道中的布置位置，经检测，其振动响应效果与图2中11套传感器测量的振动响应效果相似，说明基于本发明管道传感器布置方法布置的传感器数量减少，成本降低，但其测量效果不会发生变化，同时为后续的管道振动数字可视化和数字孪生技术升级提供基础。
[0055]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、依据工程图纸建立管道的三维模型，导入ansys workbench数值模拟系统中，进行网格划分并根据管道的应用场景设置管道运行参数，设置模态分析初始阶数，得到管道模型；步骤2、将得到的管道模型进行模态分析，获取管道模型各阶振动模态响应、振型和传感器的预设位置，并通过传感器的预设位置得到全阶次振动响应函数的特征矩阵；步骤3、根据传感器的预设位置布置传感器，测量振动响应向量，并结合特征矩阵反演振动特征值；步骤4、通过振动特征值和管道模型各阶振动模态响应的振型计算管道中任一点的振动计算值；将振动计算值和实测值进行对比得到反演误差，若反演误差超过10％，增加模态分析阶数，重复步骤2-4；否则，输出传感器的布置位置。2.根据权利要求1所述基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，其特征在于，步骤2包括如下子步骤：步骤21、将管道模型进行模态分析计算，得到管道模型在各模态的振动位移响应和振型，将管道模型各阶模态的最大响应位置作为预定的传感器布置位置，并编号；步骤22、根据传感器布置位置处管道振动的位移特征b1和频率特征b2获取振动响应函数，并将位移特征b1和频率特征b2组成全阶次振动响应函数的特征矩阵b。3.根据权利要求2所述基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，其特征在于，所述特征矩阵b＝b1·
b2。4.根据权利要求1所述基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，其特征在于，步骤3中反演振动特征值的过程为：b
×
c＝d其中，b为特征矩阵，c为振动特征值，d为测量的振动响应向量。5.根据权利要求1所述基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，其特征在于，所述模态分析初始阶数设置为6。
技术总结本发明公开了一种基于模态特征提取与反演的管道传感器布置方法，包括：建立管道的三维模型，导入数值模拟系统中，得到管道模型；进行模态分析，获取管道模型各阶振动模态响应、振型和传感器的预设位置，并通过传感器的预设位置得到全阶次振动响应函数的特征矩阵；根据传感器的预设位置布置传感器，测量振动响应向量，并结合特征矩阵反演振动特征值；通过振动特征值和管道模型各阶振动模态响应的振型计算管道中任一点的振动计算值；将振动计算值和实测值进行对比得到反演误差，若反演误差超过10％，增加模态分析阶数，重复上述过程；否则，输出传感器的布置位置。本发明使用较少的传感器来获得管道上全面的振动特征，减少成本。减少成本。减少成本。
技术研发人员：万瑜 金传领 林劭辰
受保护的技术使用者：江苏方天电力技术有限公司
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
