基于智能控制的機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障診斷研究

邵 璽

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

在我國(guó)現(xiàn)階段的各類(lèi)產(chǎn)品加工以及處理的過(guò)程中，最為關(guān)鍵的工藝設(shè)備就是機(jī)械設(shè)備，它能夠有效滿(mǎn)足我國(guó)各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中繁雜的生產(chǎn)勞動(dòng)要求對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和效率方面的提高起到推動(dòng)作用。通過(guò)調(diào)查研究可以了解到在現(xiàn)階段我國(guó)的機(jī)械設(shè)備的儲(chǔ)存上，大多都是被放在露天的場(chǎng)所當(dāng)中，因此它的金屬結(jié)構(gòu)很容易受潮而導(dǎo)致腐蝕銹損，進(jìn)而無(wú)法正常地工作，并且會(huì)在其應(yīng)力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較集中的地方出現(xiàn)很多的裂紋，從而影響生產(chǎn)效率以及對(duì)操作人員的生命安全無(wú)法保證，所以必須加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的故障診斷研究。

基于人工智能之下的模糊推理法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、專(zhuān)家系統(tǒng)法以及遺傳算法都開(kāi)始被越來(lái)越多的關(guān)注并且發(fā)展起來(lái)，特別是將其應(yīng)用在我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)故障診斷研究當(dāng)中更是體現(xiàn)了我國(guó)設(shè)備故障診斷技術(shù)伴隨著時(shí)代發(fā)展的潮流和結(jié)合人類(lèi)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)以及知識(shí)的一個(gè)整體提升，進(jìn)而使其診斷水平達(dá)到一個(gè)智能化。傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)故障診斷方法難以更好的掌握控制系統(tǒng)故障中動(dòng)態(tài)突變性以及非線性的問(wèn)題，并且對(duì)于構(gòu)建數(shù)學(xué)模型方面無(wú)法達(dá)到一個(gè)更加科學(xué)準(zhǔn)確化。

1 ANSYS有限元的建模基礎(chǔ)以及要求分析

1.1 關(guān)于ANSYS 有限元的建模理論基礎(chǔ)

ANSYS 有限元法是我國(guó)在順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流以及機(jī)械設(shè)備故障解決需求下通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新出的具備高效率高能力的數(shù)值分析方法。它的主要分析過(guò)程分別是首先對(duì)設(shè)備故障建立一個(gè)定義模型以及載荷，其次對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行求解，最后將過(guò)程結(jié)果綜合分析得出最終的定論。再通過(guò)將連續(xù)的求解域離散，組合成為固定一組單元的組合體，來(lái)將各個(gè)單元內(nèi)的近似函數(shù)，進(jìn)行分片進(jìn)而利用未知函數(shù)和導(dǎo)數(shù)在單元結(jié)點(diǎn)上的函數(shù)方程，表達(dá)在解域上仍然未知的函數(shù)問(wèn)題，從而可以通過(guò)利用離散的有限自由度的問(wèn)題代替連續(xù)的無(wú)限自由度的問(wèn)題，來(lái)更好的對(duì)其求解。在我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)當(dāng)中的焊接部件通常是采用Q235-B 薄鋼板，并且可以選取梁?jiǎn)卧瑮U單元等四種單元應(yīng)用。在單元庫(kù)當(dāng)中具備十分多的單元類(lèi)型可以滿(mǎn)足各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。以下通過(guò)利用Shell63 單元，對(duì)薄板進(jìn)行建模，來(lái)降低計(jì)算量，并且通過(guò)定義常數(shù)來(lái)利用變量分析薄板賦予的厚度。

1.2 有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)化建模

在對(duì)金屬結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化模型時(shí)需要提前確定主梁和端梁的幾何尺寸等參數(shù)，并且將其參數(shù)值作為模型的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)對(duì)幾何特征進(jìn)行描述，再通過(guò)利用各幾何元素之間存在的關(guān)系來(lái)結(jié)合計(jì)算機(jī)編輯APDL 語(yǔ)言程序，進(jìn)而能夠具體的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述以及創(chuàng)建，完善金屬結(jié)構(gòu)模型。其主要的參數(shù)化建模過(guò)程可依據(jù)以下條件進(jìn)行分析：

（1）金屬結(jié)構(gòu)模型中對(duì)主梁建模的初始值。通過(guò)結(jié)合主梁結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)可將其高度也就是上下蓋板之間的間距設(shè)置為H=1.2m；將其寬度也就是左右腹板之間的間距設(shè)置為B=0.50m；并且設(shè)置t1=0.015m 的上蓋板厚度；設(shè)置t2=0.015m 的下蓋板厚度；設(shè)置t3=0.005m 的腹板厚度；設(shè)置t4=0.005m 的大隔板厚度。

（2）金屬結(jié)構(gòu)模型中對(duì)于單元選擇。在該金屬結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中采用Shell 63 彈性殼單元類(lèi)型。

（3）在金屬結(jié)構(gòu)模型中輸入實(shí)常數(shù)。首先設(shè)置實(shí)常數(shù)1 作為上蓋板的厚度T1；設(shè)置實(shí)常數(shù)2 作為下蓋板的厚度T2，再設(shè)置實(shí)常數(shù)3 作為腹板的厚度T3；設(shè)置實(shí)常數(shù)4 作為大隔板的厚度T4。

（4）金屬結(jié)構(gòu)模型中的定義材料屬性。在機(jī)械設(shè)備當(dāng)中其材料屬性是自身存在的屬性特點(diǎn)與構(gòu)建幾何模型沒(méi)有關(guān)系，所以針對(duì)農(nóng)機(jī)箱型主梁需要對(duì)其材料密度，彈性模量以及泊松比有嚴(yán)格的定義，具體定義屬性可參照表1。

表1 定義材料屬性

（5）構(gòu)建金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型。要根據(jù)真實(shí)情況來(lái)創(chuàng)造最為真實(shí)的模型，通過(guò)利用模型抽象材料和邊界條件等設(shè)定，結(jié)合ANSYS有限元方法，轉(zhuǎn)化成可以有效處理的問(wèn)題，最后再將其計(jì)算的結(jié)果轉(zhuǎn)化成可以直觀理解的信息數(shù)據(jù)或者動(dòng)畫(huà)等。

1.3 構(gòu)建結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性

在傳統(tǒng)建模過(guò)程中利用一次二階句法進(jìn)行分析時(shí)會(huì)使面對(duì)存在非線性較大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的極限狀態(tài)函數(shù)是無(wú)法更加準(zhǔn)確合理，因此可以通過(guò)利用蒙特卡羅法來(lái)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字分析模擬，結(jié)合ANSYS軟件來(lái)隨機(jī)的進(jìn)行仿真模擬，最后得到問(wèn)題的近似解值[1]。在對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析的過(guò)程當(dāng)中，可以設(shè)置X1，X2，X3，.....，Xn組來(lái)作為其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的隨機(jī)變量，并且設(shè)置功能函數(shù)Z=g（X1，X2，X3，.....，Xn）來(lái)描述其極限狀態(tài)。另外。在確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性中，主要是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度σ，以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力S的研究，因此表示Z=σ-S。將結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力看作一個(gè)呈正態(tài)分布的狀態(tài)，由此得到功能函數(shù)便也是一個(gè)呈正態(tài)分布的狀態(tài)，創(chuàng)建概率密度函數(shù)為：

那么在功能函數(shù)大于0 的時(shí)候機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠，因此其可靠度可以表示為：

2 通過(guò)結(jié)合智能控制條件下的機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障能夠有效診斷的具體方法措施

（1）在智能控制下可以通過(guò)利用模糊推理對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行診斷。采用模糊推理故障診斷的方法只需要能夠確定故障征兆后的情況來(lái)對(duì)其建立一個(gè)模糊診斷的矩陣，并且進(jìn)行求解模糊關(guān)系方程組得到產(chǎn)生故障的真正原因，這樣的方式相對(duì)來(lái)說(shuō)具備更加強(qiáng)的抗干擾性以及魯棒性，并且在對(duì)于非線性以及高噪聲干擾等復(fù)雜系統(tǒng)的處理當(dāng)中也相對(duì)來(lái)說(shuō)具備更多的優(yōu)勢(shì)。

（2）在智能控制下可以通過(guò)利用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行診斷。專(zhuān)家系統(tǒng)診斷方法能夠充分的掌握被診斷對(duì)象以及各個(gè)客體組成部分所具備的基本特性和它們之間所存在的聯(lián)系，進(jìn)而可以通過(guò)利用人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)信息以及知識(shí)的模糊性進(jìn)行推理，這樣的方式主要是通過(guò)由5 部分組成，它相對(duì)來(lái)說(shuō)可以在解決問(wèn)題時(shí)能夠比較少的受到環(huán)境的影響，并且具備高效率和高質(zhì)量的特點(diǎn)。

（3）在智能控制下可以通過(guò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行診斷。在機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障診斷時(shí)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以采用多個(gè)簡(jiǎn)單的處理單元，來(lái)進(jìn)行相互連接的方式，以此形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其可以從外部輸入信息，進(jìn)而能夠依據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)處理信息。其中BP 算法模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是相比較來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的，它通過(guò)由正向傳播和誤差反向傳播這兩部分組合而成。

（4）在智能控制下可以通過(guò)利用遺傳算法對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行診斷。這種方法是通過(guò)利用隨機(jī)的辦法，來(lái)將若干個(gè)求解問(wèn)題的數(shù)字編碼綜合形成一個(gè)初始的種群，再對(duì)適應(yīng)度較高的個(gè)體進(jìn)行有效繁殖交叉，使其得到滿(mǎn)足的條件，這樣的方法能夠有效的提升優(yōu)化特征參數(shù)，進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備中的故障進(jìn)行有效識(shí)別。

3 在金屬結(jié)構(gòu)建模當(dāng)中開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)

（1）通過(guò)結(jié)合上文所提到的基本隨機(jī)變量，利用蒙特卡羅方法，來(lái)對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)抽樣，可以滿(mǎn)足金屬結(jié)構(gòu)建模的可靠性。并且在參數(shù)化建模下利用ANSYS軟件能夠使其得到相應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)模型樣本值應(yīng)用到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)中，可以得出在圖中顯示的，下翼緣板和腹板交匯處是產(chǎn)生最大應(yīng)力的主要部分。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)可靠性分析

（2）通過(guò)觀察圖所示的具體過(guò)程可以進(jìn)行了解到，在利用MATLAB 中的FIS 模糊邏輯控制方式下，來(lái)進(jìn)行一個(gè)仿真，能夠真正有效的使故障診斷系統(tǒng)，可以在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)保持在0.2 秒之內(nèi)，并且能夠始終維持輸出值是1。

圖2 FIS 模糊邏輯控制仿真過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

總之通過(guò)全文我們可以了解到，利用有限元ANSYS 軟件來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個(gè)可靠性的分析，能夠?qū)崿F(xiàn)判斷出其故障所發(fā)生的具體位置并且對(duì)其采用模糊推理智能診斷。這樣的方式能夠?qū)崿F(xiàn)在線時(shí)代發(fā)展潮流之下對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)故障診斷的需求，加大了其診斷過(guò)程中的效率和水平并且節(jié)省了大量時(shí)間。相較于傳統(tǒng)下的故障診斷方法，在本文中所提出建立模糊數(shù)學(xué)模型的方式通過(guò)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化能夠得到有效的控制系統(tǒng)實(shí)施性，進(jìn)而推動(dòng)不確定性系統(tǒng)的解決措施研究。