第二章光纤光栅用于检测冲击动力学...

单位代码：１０３５９
学号：全ＱＱ！鱼鲤！分类号：ＴＮ２５３
夺肛工学犬警
ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
硕士学位论文
ＭＡＳＴＥＲ，ＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩｏＮ
论文题目：基王迸红光翅的鲑枉泣圭塾力堂挂丝堡究学位类别：堂压亟士
专业名称：测试计量撞苤及邀器
作者姓名：篚航
导师姓名：金直蕉教援
完成时间：２Ｑ！垒生垒昱
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３．３．１钻具材料属性确定
在网格划分前要先确定材料的属性。

固有频率是是结构本身固有的动态特性，与结构本身的材质、形状及约束条件相关。

在模态分析中必须给出的材料属性有弹性模量、密度和泊松比。

选用钻杆材质为合金钢，通过查阅机械设计手册可知合金钢钢的属性如表３．２所示。

表３．２钻杆材料属性表
Ｔａｂ３．２Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ＆ｉｌｌｐｉｐｅ
３．３．２单元选择和网格划分
对于已经建立好的几何模型，需要对其网格划分，生成包含节点和单元的有限元模型。

单元属性包括单元类型、分配实常数、截面属性以及分配材料属性。

对于三维结构单元类型常选用四面体和六面体单元，考虑到钻具的螺纹结构复杂，若选择六面体对其进行网格划分，很容易使六面体退化成四面体，导致计算精度差。

因此，选用带中问节点的高阶三维１０节点四面体实体单元ＳＯＬＩＤ１８７作为钻杆的网格划分单元，单元示意图如图３．５所示。

ＳＯＬＩＤ１８７的每个节点有三个自由度，具有二次位移，适用于对不规则模型进行网格划分，单元具有塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变等功能，可以利用混合公式模拟几乎或者完全不可压超弹性材料的变形，非常适合各种有ＣＡＭ系统产生的不规则的网格划分。

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Ｙ
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图３．５ＳＯＬＩＤ１８７单元模型
Ｆｉｇ３．５ＵｎｉｔｍｏｄｅｌｏｆＳＯＬＩＤ１８７
单元选择好后可以对模型进行网格划分。

网格划分有两种方式，一种是自由网格划分法；另一种是映射网格划分法。

自由网格划分对单元形状没有限制，对几何模型也没有特定的要求；映射网格划分要求所包含的单元形状必须为三角形、
合肥．［业大学硕士学位论文
析。

模态分析中求解特征值问题有多种数值方法，主要有跟踪法（Ｔｒａｃｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）、变换法（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）以及兰索士法（Ｌａｎｃｚｏｎｓｍｅｔｈｏｄ）。

Ｌａｎｃｚｏｉｉｓ法是针对大型特征问题的有效解法，且计算过程简单，求解效率高。

因此本文采用Ｌａｎｃｚｏｎｓ法为模态提取方法，提取５阶模态。

选取所有实体进行求解，得到钻具的五阶固有频率计算结果如表３．３所示。

表３．３钻具固有频率计算结果
Ｔａｂ３．３Ｔｈｅｎｍｕｍｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｐｉｐｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ
模态分析结果中只能查看各阶固有频率的计算结果和结构各阶模态图，若要观察结构表面的应变图形，需要扩展振型，然后从后处理器中查看各阶固有频率的振态。

图３．
图３．８一阶模态振型
Ｆｉｇ３．８Ｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒｍｏｄｅｓｈａｐｅｓ
图３．９二阶模态振型
Ｆｉｇ３．９Ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｍｏｄｅ
ｓｈａｐｅｓ
第三章冲击钻具的有限元分析
图３．１０三阶模态振型
Ｆｉｇ３．１０Ｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒｍｏｄｅｓｈａｐｅｓ
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图３．１１四阶模态振型
Ｆｉｇ３．１１Ｆｏｕｒｔｈ—ｏｒｄｅｒ
ｍｏｄｅｓｈａｐｅｓ
图３．１２五阶模态振型
Ｆｉｇ３．１２Ｆｉｆｔｈ－ｏｒｄｅｒｍｏｄｅ
ｓｈａｐｅｓ
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第四章基于光纤光栅传感的冲击动力学实验研究尽管通过仿真已经能非常准确且真实的模拟冲击系统的动力学特性，但是仿真条件不可能与实际条件完全一致，而冲击问题又是在工程领域普遍存在的问题，如何能准确得到实际工况下的系统特性是非常有必要的。

本文以仿真为依据，利用光纤光栅这种新型传感器检测结构的冲击动力学参数，验证其可靠性，为工程测量提供新的可行的方法。

４．１实验系统简介
实验以光纤光栅应变传感器作为感知元件，实时捕获钻杆上测量节点的应变变化情况，测量信号通过光纤光栅解调仪，以Ｆ—Ｐ滤波法转化为数字信号，通过以太网通讯接Ｖｌ连入计算机，并在电脑操作界面通过峰值移动检测光栅波长的漂移量，经过计算得到测量节点应变的频域变化情况和时域变化情况。

测量系统示意图如图４．１所示，实物图照片如图４．２所示。

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图４．１测试系统不意图
Ｆｉｇ４．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ
实验所用解调仪的扫描频率为２５０Ｈ丑屹５ｋＨｚ，波长扫描范围为１５２８ｎｍ－１５６８ｎＩｉｌ，测量精度为ｌｐｍ。

共有四个通道，每个通道可同时最多扫描１６个光栅，操作界面由ＬａｂＶＩＥＷ软件编程实现，通过检测光纤光栅反射波长的漂移量，实现对温度、应变、应力等物理量的检测。

同时能对采集到的数据进行快速傅立叶变换，。