一种基于双阈值频域分析的燃料棒振动接触识别方法

本发明涉及核反应堆流致振动，尤其是涉及一种基于双阈值频域分析的燃料棒振动接触识别方法。

背景技术：

1、流致振动试验技术是研究核燃料组件在冷却剂流动环境下动力响应特性的重要手段，其目的是模拟反应堆运行条件下燃料棒的振动行为与非线性接触机理。在高流速冷却剂冲刷作用下，细长比极高的燃料棒会产生振动行为，当燃料棒之间或燃料棒与支撑格架发生瞬时接触碰撞时，会在结构中引起突发的动态冲击载荷和局部加速度突变。这类动接触行为随机性强、持续时间极短，通常仅在毫秒量级，且伴随非线性特征与模态耦合效应，因此直接通过常规传感方法实现接触测量十分困难。

2、在振动试验中，传统的接触行为识别多依赖机械接触传感器或声发射传感器。然而，这些方法在高温高流速条件燃料棒束通道内安装困难，并且易受结构振动、流场噪声等影响，信号稳定性差，识别率低。实际试验表明，直接测量接触力或接触位置往往不具可行性。因此，采用对结构响应信号进行分析的间接方法成为主流，其中利用加速度传感器采集燃料棒的加速度时程信号，并通过信号处理识别接触事件，因其非侵入性和可安装性优势，成为流致振动试验的重要技术途径。然而，仅依靠加速度峰值或单一时域阈值判定的传统方法在强背景噪声条件下容易出现误判或漏判问题。因此，在流致振动试验技术领域，亟需一种结合加速度时程信号的双阈值时域判定与频域功率谱分析的接触行为识别方法，以在复杂工况与强噪声背景下稳定、准确地实现燃料棒接触碰撞行为识别。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双阈值频域分析的燃料棒振动接触识别方法，针对目前燃料棒流致振动试验中接触碰撞行为识别方法的匮乏问题，可以实现对接触事件发生与结束时间、持续时间、峰值加速度、速度变化量及接触位置的定量识别与计算，从而降低试验与分析成本、提升识别效率与结果可靠性，为燃料棒流致振动机理研究、安全评估和结构设计优化提供技术支撑。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于双阈值频域分析的燃料棒振动接触识别方法，包括以下步骤：

3、s1、传感器布置与波速标定：在燃料棒轴向上布置至少两个加速度传感器，记录各传感器轴向坐标，通过敲击测试与互相关计算获取结构振动波速；

4、s2、加速度信号采集：在稳态工况下，采集各传感器的瞬态加速度时程信号

ai(

t)，单段采集时长≥60s；

5、s3、信号预处理：对原始加速度信号依次进行直流偏移消除、带通滤波及工频及其倍频信号陷波滤波处理；

6、s4、双阈值设定：基于无碰撞区间振动信号统计，计算3倍标准差作为动态基线阈值，再通过灵敏度系数设定碰撞阈值；

7、s5、时域事件初识别：通过信号幅值与动态基线阈值、碰撞阈值的比较，确定接触事件的起始点、峰值时刻、峰值幅值及结束点；

8、s6、幅值-持续时间联合判据筛选：根据接触事件持续时间及峰值幅值与动态基线阈值的量化条件，筛选真实接触冲击信号；

9、s7、频域功率谱密度验证：选取接触事件时间窗口及邻近振动时间窗口，计算两窗口的功率谱密度，通过高频能量比判定事件真实性；

10、s8、接触位置定位：对于通过s7验证的碰撞事件，基于多传感器信号的互相关时间延迟，结合传感器坐标与振动波速，计算碰撞事件的轴向位置。

11、优选的，s1中，传感器布置以燃料棒下端为零点，敲击测试用于验证响应通道同步性及峰形清晰度，振动波速通过公式计算，其中为两传感器间距，为敲击响应到达时间差。

12、优选的，s3具体包括：

13、s3.1、计算每个通道信号的均值，将原始信号减去该均值以消除直流偏移；

14、s3.2、结合燃料棒结构的模态特征频率和传感器频响范围，采用带通滤波器限制信号频率范围；

15、s3.3、应用窄带陷波滤波器对50hz、100hz、150hz工频及其倍频信号进行滤除。

16、优选的，s4中，所述无碰撞区间指未发生接触碰撞的稳态振动时段，通过试验前期无碰撞工况数据或信号特征判定；

17、动态基线阈值的计算公式如下：

18、

19、其中σbg为无碰撞区间振动信号的标准差；

20、碰撞阈值的计算公式如下：

21、

22、其中，灵敏度系数k的典型值为3。

23、优选的，s5具体按以下子步骤执行：

24、s5.1、以预处理后的加速度信号为分析对象，当信号幅值首次超过碰撞阈值时，标记为事件起始点：

25、

26、其中，为预处理后的加速度信号；

27、s5.2、在至的碰撞持续期间，记录碰撞信号的峰值时刻及幅值，表达式为：

28、

29、

30、s5.3、当信号幅值回落至动态基线阈值且时，标记为事件结束点，表达式为：

31、

32、避免将正常振动误判为碰撞延续。

33、优选的，s6中，所述联合判据具体为：

34、（1）持续时间判据：计算碰撞冲击的持续时间，若，判定为振动的正常幅值波动而非碰撞事件，剔除该事件；

35、（2）幅值比判据：定义峰值幅值比，若，判定为振动的正常幅值波动，剔除该事件；

36、仅当且时，保留该事件为候选碰撞事件。

37、优选的，s7具体按以下子步骤执行：

38、s7.1、选取碰撞事件时间窗口及邻近的无碰撞振动时间窗口，，典型值为50-100ms，确保振动窗口不包含任何碰撞行为；

39、s7.2、采用welch方法计算碰撞事件时间窗口和无碰撞振动时间窗口的功率谱密度，将时间窗口切分成重叠段，使用汉宁窗函数

w(

n)加窗，再进行fft并取平均得到psd；设定频率分辨率和窗长度保证谱估计的稳定性和分辨率；

40、s7.3、根据燃料棒结构特性划分频谱为模态频带和接触碰撞频带，模态频带用以覆盖燃料棒主要固有频率，接触碰撞频带用以覆盖碰撞冲击产生的高频能量；

41、s7.4、计算模态频带和接触碰撞频带内的频域能量积分，分别表示为：

42、

43、

44、s7.5：计算碰撞事件高频能量比

r，表示为：

45、

46、s7.6：设定高频能量比阈值，若，判定为真实碰撞行为，保留用于定位；否则，识别为非碰撞事件，予以剔除。

47、优选的，s8具体按以下子步骤执行：

48、s8.1、对于真实碰撞事件的时间窗口，取每对相邻传感器的信号和，计算互相关函数：

49、

50、其中，为时间延迟；

51、s8.2、找到互相关最大值对应的时间延迟：

52、

53、s8.3、根据相邻传感器轴向坐标、和s1中标定的振动波速c，通过到达时间差计算碰撞位置：

54、

55、s8.4、若燃料棒上布置超过两个加速度传感器，取多对相邻传感器计算的定位结果的算术均值，作为最终碰撞事件的轴向位置。

56、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

57、1、该方法仅需采集常规加速度传感器信号，适用于现有绝大多数流致振动试验与数据采集系统，无需增加额外的接触传感器，显著降低硬件依赖与布置复杂度。

58、2、该方法利用双阈值判定方法（幅值阈值+最短持续时间阈值）快速捕捉接触事件，并结合功率谱密度特征验证，实现识别准确率超过95%，有效减少背景噪声引起的误判与漏判。

59、3、该方法采用到达时间差法结合振动波传导效应，实现接触事件位置定位，空间精度可控制在±10mm以内，为试验研究提供空间分布信息支持。

60、4、该方法可根据不同运行状态、边界条件与燃料棒约束条件调整阈值与定位参数，实现多种试验工况下的可靠识别，保持结果一致性与可比性。

61、5、本发明提出的燃料棒接触行为识别方法，不仅适用于压水堆、铅铋快堆等核反应堆燃料组件振动试验，还可推广到海洋工程、化工装备等其他长细结构流致振动接触分析领域，具有良好的通用性和推广价值。

62、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。