一种复合材料层合板故障诊断的频响—广义模态能量法

复合材料故障诊断问题日益受到人们的重视。利用振动理论和实验技术进行故障诊断是一种很有吸引力和值得探索的方法。本文提出了一种复合材料层合板损伤的频响一能量诊断新方法,此方法选取对故障比较敏感,又能反映结构动力特性的频响函数作为诊断故障的参数,并引入阻尼耗散能计算本文定义的无损板在各阶模态下广义模态能量的分布,通过理论推导和计算得到了损伤前后频响函数在各阶共振峰处的变化,与无损板在给定模态下各单位的模态能量贡献之间的联系。从而得到一种分析小损伤位置和范围的新方法。此方法的一个重要结论是:在小损伤的前提下,对于同一单元或同一区域各阶广义模态能量贡献之间的比值,同假设这一单元或区域有损伤而得到的各阶频响函数在无损板峰值处的变化率之比基本相等。文中提供了能量贡献分布图等,可供分析之用。算例与实验的结果表明,本文提供的方法是有效,可行的。      

一种复合材料层合板故障诊断的频响—广义模态能量法

复合材料故障诊断问题日益受到人们的重视。利用振动理论和实验技术进行故障诊断是一种很有吸引力和值得探索的方法。本文提出了一种复合材料层合板损伤的频响一能量诊断新方法,此方法选取对故障比较敏感,又能反映结构动力特性的频响函数作为诊断故障的参数,并引入阻尼耗散能计算本文定义的无损板在各阶模态下广义模态能量的分布,通过理论推导和计算得到了损伤前后频响函数在各阶共振峰处的变化,与无损板在给定模态下各单位的模态能量贡献之间的联系。从而得到一种分析小损伤位置和范围的新方法。此方法的一个重要结论是:在小损伤的前提下,对于同一单元或同一区域各阶广义模态能量贡献之间的比值,同假设这一单元或区域有损伤而得到的各阶频响函数在无损板峰值处的变化率之比基本相等。文中提供了能量贡献分布图等,可供分析之用。算例与实验的结果表明,本文提供的方法是有效,可行的。     

基于子结构能量的点阵结构损伤诊断方法研究

提出了二阶子结构能量法以检测点阵结构损伤，称为SOSEM (second order substructure energy method)。对于复杂点阵板，在已知损伤位置条件下，该方法只需结构中存在“缺陷”构件的模态信息，就可以准确地得到构件损伤程度，而传统基于模态分析的方法必需整体结构完全的模态信息，新方法提高了检测效率，对实现快速（实时）点阵结构损伤检测具有重要的应用价值。为了验证本文方法的有效性，以点阵板为例，采用数值方法分析了几种典型损伤情况，结果表明，该方法能够准确地检测出点阵结构中一个或多个单元的损伤。     

一种船舶舷侧外板骨材抗撞性能解析预报模型

以典型的船舶舷侧外板上的骨材为研究对象,运用塑性力学理论及数值仿真技术,分析了舷侧外板上骨材在遭受带有球鼻艏的船舶撞击场景下的变形损伤机理。研究中应用LS_DYNA仿真模拟得到舷侧外板上骨材的变形模态和能量耗散结果,在此基础上建立起骨材塑性变形的几何数学模型。运用塑性力学理论,获得舷侧外板上骨材在变形过程中的能量损耗和平均变形阻力的解析计算公式。研究中应用数值仿真结果进行验证。研究得到的舷侧外板骨材变形损伤的解析计算公式,对船舶舷侧抗撞性结构设计和耐撞性能评估都具有一定的参考价值。     

基于模态应变能法的弹性薄板损伤识别

针对薄板构件振动疲劳损伤问题,提出基于模态应变能结构损伤识别新方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为依据,通过比较弹性薄板结构单元损伤前后的模态应变能变化率构造损伤指针。在构建损伤指针之前,假定弹性板的刚度是由单元刚度组成,在定义单元刚度灵敏度公式基础上建立弹性薄板损伤前后模态应变能变化关系。最后,基于模态柔度曲率法验证模态应变能法在弹性薄板单损伤与多损伤识别方面的优劣性。     

采用改进单元刚度折减系数法识别结构损伤

提出了结构损伤识别的两阶段方案,在利用改进的损伤变量进行损伤定位的基础上,采用前几阶振型扩充得到完备模态空间,结合改进的单元刚度折减系数方法进行损伤定量.分别选取了简支梁和连续梁仿真算例进行验证.结果表明在仅采用较少低阶模态的情况下,识别效果比原损伤变量和单元刚度折减系数法明显更优,能在一定噪信比下进行较准确的损伤定位和定量分析.     

基于代数算法的单元模态应变能灵敏度分析

模态应变能在基于振动的结构损伤识别中得到了广泛的应用,其灵敏度分析成为了当前的一个重要问题。采用代数方法解析推导出了无阻尼线性系统单元模态应变能一阶和二阶灵敏度的解析表达式,该表达式简洁紧凑,便于编程,而且只需一阶模态信息,不存在模态截断引起的误差问题。通过数值模拟算例,对得到的单元模态应变能一阶灵敏度进行了参数分析,并着重考查了损伤及其噪声的影响。结果表明,低阶单元模态应变能比高阶模态能更好地反映出结构损伤,而且抗噪能力更好。     

切割对约束阻尼悬臂板振动特性的影响

基于模态应变能理论来研究带多块阻尼层悬臂板的能量耗散问题;针对悬臂板的第一阶弯曲模态和第一阶扭转模态,得到阻尼层在不同剪切模量下,沿着悬臂板的不同方向切割阻尼层时的减振结果.研究表明,对于悬臂板的第一阶弯曲模态和第一阶扭转模态,阻尼层的剪切模量Gv对阻尼层在切割后所能引起减振效果影响较大;在相同的剪切模量下,不同的切割位置以及不同的阻尼层切除长度对阻尼效果也都会产生不同程度的影响效果.在合适切割位置,采用覆盖面积较小的阻尼层,也可获得与全覆盖接近的阻尼.     

非线性弹性矩形板的自由振动精确解研究

板作为工程结构中的基本单元得到了人们的广泛研究,板在承受动力荷载作用下的动力响应问题受到了普遍关注.对非线性弹性矩形板的自由振动进行了研究,考虑了材料非线性和面内静载对板动力特性的影响,并根据半序空间的不动点理论求得该矩形板在自由振动时各阶模态的精确解,描绘了其自由振动的全过程.通过算例指出材料非线性和面内静载都对板的自由振动产生一定影响,在不同模态间可能出现"跳阶"现象.     

基于应变模态的轨道板裂缝与脱空识别方法研究

基于应变模态对损伤敏感、轨道板应变数据易于测量的特点,提出基于应变模态的无砟轨道轨道板裂缝与脱空识别方法。研究了轨道板的应变模态理论和应变模态分析方法。用数值仿真方法分析了损伤轨道板的应变模态特征,表明一阶应变模态振型在轨道板损伤区域有明显的弯曲,可作为损伤识别参数。提出了损伤识别的应变模态曲率差指标及其计算方法,研究了其对轨道板裂缝与脱空的识别能力和识别方法。应变模态曲率差对轨道板的开裂和脱空有很强的表征能力,应变模态曲率差矩阵的F范数可表征轨道板的开裂程度。     

Vibration analysis of laminated composite plates with damage using the perturbation method

The present work focuses on vibration characteristics of damaged laminated composite plates. Damage is considered as a local reduction of anisotropic plate stiffness, and three damage factors (representing the damage severity, damage anisotropy, and damage location/area, respectively) are defined to describe damage status in the laminated composite plates. The analytical solutions are obtained by the perturbation method. A numerical analysis is conducted on the vibration of damaged laminated composited plates, and the effect of damage factors on the vibration characteristics is discussed. Results indicate that three damage factors have different influences on the vibration characteristics. Also, the modal curvatures and strain energy show higher damage sensitivity than the natural frequencies and displacement mode shapes. The perturbation-based vibration analysis developed in this study can be used to effectively evaluate the effect of damage on the vibration behavior of anisotropic plates and potentially identify the damage in the laminated plates.     

Thermal postbuckling analysis of laminated composite plates by the finite element method

The thermal postbuckling behavior of composite laminated plates subjected to a nonuniform temperature field is investigated by the finite element method. Based on the principle of minimum potential energy, the nonlinear stiffness matrix and geometry matrix are derived. The assumed displacement state over the middle surface of the plate element is expressed as a product of one-dimensional, first-order Hermitian polynomials. An iterative method is employed to determine the thermal postbuckling load. The results of the computations reveal that the thermal postbuckling behavior of composite laminated plates is influenced by lamination angle, plate aspect ratio, modulus ratio and the number of layers.     

考虑芯层横向变形的粘弹性复合材料夹层板结构的声振特性分析

夹层板结构具有很高的比强度和比刚度。若芯层采用粘弹性阻尼材料，夹层板结构还具有良好的隔振和隔声特性，因此在工程结构中得到广泛应用。以往的夹层板理论大多忽略了芯层的横向正应变和横向正应力，在分析芯层较厚的夹层板或者夹层结构的高频振动问题时由于不能体现芯层的横向压缩变形，往往显得不够合理。针对这一不足，构造了一个复合材料夹层板单元：夹层板的上下面板采用基于一阶剪切变形理论的Mindlin假定以及层合板理论进行分析；采用文献[6，7]中提出的Timoshenko层合厚梁理论构造了单元每边的转角和剪应变场，消除了Mindlin板单元当板厚变小时的剪切锁死问题；假定芯层的位移沿厚度方向线性变化，并用上下面板的自由度表示，最终形成以上下面板自由度表示的系统总的运动方程。该单元不仅考虑了芯层的横向剪切变形，还考虑了芯层的横向压缩变形。数值计算结果表明：无论对于静力问题、动力问题还是声辐射等问题，考虑芯层的横向压缩变形是合理的，也是有必要的。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

Nonlinear static analysis of composite laminated plates with evolving damage

Considering geometric nonlinearity and damage evolution, the static response characteristics of laminated composite plates subjected to uniformly distributed loading are investigated using finite element approach based on the first-order shear deformation theory. The damage evolution is modeled employing generalized macroscopic continuum theory within the framework of irreversible thermodynamics. The governing nonlinear equations are solved using Newton–Raphson iterative technique. The resulting finite element-based continuum damage model enables to predict the progressive damage and failure load. A detailed parametric study is carried out to investigate the influences of damage evolution, boundary conditions, span-to-thickness ratio, and lamination scheme on the static response of laminated plates undergoing moderately large deformation. It is revealed that the in-plane stretching forces owing to geometric nonlinearity significantly influence the failure load, damage, and stress distribution for immovable thin laminates.     

复合材料层合板的声辐射模态幅值分析

低频时, 控制振动结构第一阶声辐射模态伴随系数可有效控制总声功率。通过分层有限元模型可以求解层合板的位移模式。对层合板的固有频率和动态响应进行了理论推导。结合声辐射模态理论, 研究了层合板铺设角度、 弹性模量比、 跨厚比以及阻尼比等结构参数对层合板结构第一阶声辐射模态伴随系数的影响。计算结果表明, 分层理论结合有限元方法可以较准确地计算层合板固有频率, 而且铺设角度和跨厚比对层合板结构声辐射模态影响较大。     

复合材料层板的拟协调罚单元*

本文在文献提出的多变量拟协调元和罚函数相结合的方法基础上构造了考慮耦合和剪切效应的十五自由度三角形层合板单元。此单元适用于薄和中厚层合板的强度分析,具有收敛和应用范围广的优点。文中以各向同性和复合材料层合板多组数例证明了该单元的有效性,同时还讨论了跨厚比L/h和弹性模量比E₁/E₂与剪切效应的关系,得出了一些有意义的结论。     

Delamination identification and response prediction in composites using bivariate Gamma function-based microgenetic algorithms

This study deals with an identification of stiffness reduction and response predictions occurred by the delamination damage in laminated composite plates under impact loads. Combined bivariate Gamma function and microgenetic algorithms are developed to determine the crack region due to the delamination and predict future responses. The validity of the proposed method was verified using impact-induced data obtained from a two-dimensional delamination finite element model. Examples indicated that the proposed approach is a feasible and advantageous method through which future dynamic responses can be predicted and the distribution of the degraded stiffness of laminated composite structures can be inspected for different measuring locations and fibre angles.