一种多体系统冲击响应谱分析法

提出一种多体系统冲击响应谱分析法,以一个基础受加速度冲击刚柔系统为例,详细阐述了该方法的理论基础,主要为:首先利用传递矩阵法求得系统任意点的状态矢量和系统振型;建立系统相对基础运动微分方程.进而建立系统的多体动力学方程;利用系统增广特征矢量的正交性求得广义坐标,结合速度冲击谱的定义获得各模态最大响应,最后经各模态响应合成得到系统的冲击响应时间历程.用一个具体工程实例,通过与一般力学解析方法、有限元冲击响应谱分析法结果的对比,验证了所提方法的有效性.     

基于振动响应时频分析的桅杆损伤识别方法

桅杆的模态参数和刚度对纤绳平衡张力、激励和环境条件比较敏感,导致目前比较有效的结构损伤识别方法和指标难以直接应用。为此,探索了基于测点振动响应时频分析而不依赖模态信息的桅杆结构损伤识别方法,提出利用结构测点振动响应的Wigner-Ville分布交叉项统计量WCS(WVD Cross-term Statistic),通过比较损伤前后统计量的相对变化量来进行损伤识别。算例分析结果表明,利用测点振动响应的损伤识别指标WCS相对变化量,除能识别杆身单个不同程度的损伤位置以及多个损伤外,还能分辩出纤绳的损伤特征。通过增大激励的幅值和增加测点的数量,可以提高识别的精度和指标的灵敏度;基于测点位移响应与基于测点加速度响应的损伤识别指标相比,具有更好的损伤识别效果。     

砂浆板冲击破坏试验研究

通过锤击、均匀冲击荷载试验,采用逐级递增循环冲击加载方式,研究冲击荷载下砂浆板的破坏特征及冲击力、冲击能与最大加速度响应间关系。试验表明,二种冲击作用均使砂浆板跨中区域出现贯穿裂缝,呈脆性劈裂破坏形态,均匀冲击作用下破坏位置与跨中有一定偏移;锤击力时程经历主冲击、次冲击、卸载三阶段,加速度响应随锤击力增加而增加,裂缝贯穿后冲击力、加速度响应大幅减小;均匀冲击下加速度有二组响应区,响应随冲击能增加而增加,当冲击能达一定程度时响应大幅减小;继续增加冲击能,响应又会增加,并较快发生劈裂破坏,响应大幅减小;支座螺栓松动能缓冲部分冲击作用。     

基于代理模型的空投装备气囊缓冲系统多目标优化

基于有限元法和控制体积法建立装备-气囊系统有限元模型,并采用试验数据对模型进行验证。复杂气囊系统着陆缓冲过程仿真计算资源消耗大,难以应用传统迭代方法进行参数优化。为克服这些问题,结合扩展拉丁超立方设计,以最大着陆冲击加速度和最大翻转角度为响应,采用径向基函数构建代理模型。在代理模型基础上,利用多目标遗传算法对主气囊高度、横向宽度及排气孔面积等气囊缓冲系统参数进行了多目标优化。优化结果表明:优化后最大冲击加速度减小了15.5%,最大翻转角度减小了70.3%,缓冲性能与横向稳定性均有所提高。     

结构损伤诊断的轴向振动原理及模态实验

在理论推导梁轴向振动微分方程基础上,提出一种以轴向振动低阶模态振型二阶导数为损伤指标的结构损伤识别方法。在方钢管构件上布置加速度传感器进行轴向振动模态试验,测试时由信号发生器发出正弦波信号,经功率放大器放大后通过电磁激振器对结构进行激励,同时采集各测点的加速度反应信号。在确定结构共振点后,根据共振点处加速度值,编制轴向振动损伤指标的计算程序,分析结果表明该指标对结构损伤的位置和程度均很敏感,既能精确定位损伤,又能标定损伤程度,即在损伤位置将发生相反方向的突变,且突变幅度随损伤程度增大而增大。     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

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。     

基于能量耗散碾压混凝土重力坝地震损伤分析

摘　要：采用塑性损伤力学对混凝土重力坝进行非线性动力分析,通过研究塑性损伤本构中滞回曲线的特点以及地震中重力坝裂缝发展特征和结构能量耗散机理,建立了包含能量特性的大坝整体损伤评价指标。通过分析发现强震作用下坝体上部的损伤是结构的主要损伤,地震中的能量以结构阻尼耗散能量为主,混凝土损伤和塑性耗散的能量所占比例不大,但与裂缝的发展有直接关系。提出的大坝整体损伤指标可以综合的反应结构的整体损伤程度,以此对结构进行抗震设计,可以提高结构的抗震性能。     

高延性混凝土板抗落石冲击性能试验研究

为了研究落石冲击荷载作用下高延性混凝土(HDC)板的抗冲击性能,对纤维掺量为0.5%、1.0%、2.0%的6块HDC板和2块普通钢筋混凝土(RC)板进行14 m高度下的落锤冲击试验,对比分析了HDC板和普通钢筋混凝土板抗冲击性能的差异以及不同纤维掺量对HDC板抗冲击性能的影响。采用高速摄像机记录了各试件的试验过程,详细分析了试件的破坏形态,冲击中心最大位移及落锤最大冲击力和冲量。结果表明:在相同的冲击荷载下,普通钢筋混凝土板被击穿,板底喷出大量混凝土碎块,破坏面整齐光滑,裂缝宽且呈十字形,钢筋未屈服,属于局部贯通破坏;HDC板产生数条由中心向四周逐步开展的裂缝,呈放射状分布,板底有少量混凝土碎块剥落,由于HDC与钢筋之间具有很好的粘结能力,钢筋屈服甚至拉断,但是整体裂而不散。落锤直接冲击RC板最小瞬时加速度为933.01g,最大冲击力914.35 kN,最大冲击时间0.021 8 s,大应变率数量级达到10~(11) s~(-1)。反观HDC板落锤直接冲击板的最小瞬时加速度较RC减小28.1%,最大冲击力减小28.1%,最大冲击时间延长0.006 s,大应变率数量级减小10~6 s~(-1)。HDC的各项参数对比均明显优于RC。表明HDC板具有良好的抗冲击性能,且纤维体积掺量为1.0%的HDC抗冲击能力最强。     

飞机加筋壁板紧固件松脱损伤检测的自相关分析方法

提出了一种基于自相关函数的损伤检测方法。首先证明归一化后的结构各测点加速度响应自相关函数零点值仅与结构的模态参数有关,然后利用其构造损伤指标用于结构损伤的定位。飞机加筋壁板紧固件松脱损伤的损伤检测实验表明,该方法只需要利用结构在一定带宽白噪声激励下的加速度响应就能准确定位加筋壁板紧固件的松脱损伤,适用于紧固件松脱损伤的实时检测。     

面板堆石坝震动响应及变形规律的试验研究

采用Parkfield波作为地震动输入,在清华大学50g-t土工离心机振动台上中进行了一组面板堆石坝动力离心模型试验。试验在50倍重力加速度条件下完成,采用加速度传感器测量了模型不同位置动力响应的加速度时程并且采用应变片测量了面板的应力-应变,通过改变地震波输入的幅值和是否蓄水分析研究了面板堆石坝的震动响应及变形规律。结果表明面板坝自下而上存在地震响应放大现象,靠近上下游坝坡位置的加速度响应要大于同高程处坝轴线附近的加速度响应;地震作用下面板产生较明显的压应力,最值发生在面板中上部;面板中部出现较明显的弯矩;改变输入地震波的幅值大小对坝体加速度响应的分布规律、坝体位移变化的分布规律以及面板应力变形的分布规律没有影响,但地震波输入幅值的增加会减弱地震波的加速度放大效应;竣工期的地震加速度响应比蓄水期的要大,说明蓄水可以削弱地震波对坝体的加速度响应,但蓄水会导致坝体和面板的变形增加。     

A point-by-point impact vibration method for damage detection in beam-type structures

This paper develops the point-by-point impact vibration method, a damage diagnosis method for beam structures. The theoretical development and experimental verification were carried out on aluminum beams with single and double cracks in the vertical direction and on pre-stressed concrete beams with local breaks. The processing signals were the time histories of the acceleration responses of the beams and the impact force. The point-by-point impact vibration method is combined with the Dynamic Reciprocal Theorem, the Frequency Domain Decomposition method, and the Damage Index idea, all of which cover the modal curvature change (MCC) and the change of strain energy, as well as other measures. One of the advantages of this method is the ability to use fewer sensors to obtain higher order eigenmodes, which can be applied in the damage index. Experimental results indicate that higher order vibration modes exhibit great potential for damage identification.     

基于同伦摄动法三次型非线性系统跌落冲击响应分析

目的 以典型的三次型非线性系统为研究对象,研究非线性系统跌落冲击响应的近似解析.方法 研究包含复杂非线性项的保守缓冲包装系统,以三次型非线性系统为例,通过使用同伦摄动法求解运动方程,求得跌落冲击响应的一阶近似解,并使用能量法修正一阶近似解.基于最大加速度响应表达式,获取非线性系统破损边界曲面,进行系统损伤评价.结果 修正后的一阶近似解的最大位移响应、最大加速度响应与龙格库塔法的数值更接近.随着产品脆值的增大,破损边界曲线逐渐上移,系统就越安全.结论 同伦摄动法的应用可为后续的非线性跌落冲击分析提供简便性.     

Damage assessment in plate-like structures using a two-stage method based on modal strain energy change and Jaya algorithm

The paper presents an effective two-stage approach based on modal strain energy change and Jaya algorithm for damage assessment in plate-like structures. In the first stage, a newly developed damage indicator, named as normalized modal strain energy-based damage index (nMSEBI), is proposed to help locate potential damage elements more effectively. After eliminating most of the healthy elements, the actual damaged sites and its extent in plate structure are determined in the second stage by minimizing an objective function, which is solved using Jaya algorithm. For finding a suitable objective function used in optimization process, two different objective functions are considered to examine their effects on the performance of the utilized optimization algorithm. The efficiency and accuracy of the proposed two-stage damage detection method are investigated by two numerical examples comprising a concrete plate and a four-layer (0°/90°/90°/0°) laminated composite plate with multiple damage locations. All of the obtained results indicate that even under measurement noise, the proposed method can identify the actual damage sites and estimate the extent of damage with high precision. In addition, the numerical results also show that the computational cost of the optimization process using the objective function based on modal flexibility change is much lower than that using the objective function based on mode shapes change.     

Study on impact properties of through-thickness stitched foam sandwich composites

Through-thickness stitched foam core sandwich composites were fabricated by using RTM process; and impact performance and damage extent were studied at 1–70 J impact energy levels. The results show that two sharp peak loads and a low-loading plateau appear on the load-time plots at 1–30 J impact energy levels; both sharp peak loads can be considered as the course of penetrating top and bottom facings, a low-loading plateau has the characteristics of penetrating foam cores. Compare to the unstitched samples, the average damage angle of stitched samples increase by 48%, the maximal cracking width and penetration depth of the stitched samples decrease by 67% and 4% at 25 J impact energy levels.     

二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击损伤研究

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法, 研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限, 在15~24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大, 材料名义拉伸强度的下降趋于平缓, 最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤, 冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。     

侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究

为研究着靶姿态对高速侵彻弹装药损伤的影响,依据实际战斗部的结构尺寸设计了小尺寸模型试验弹,在125 mm口径的滑膛炮发射平台上开展了试验弹以不同攻角斜侵彻单层钢靶试验。通过理论计算得到着靶姿态对侵彻过程能量损失的影响。利用CT扫描无损检测技术观测不同着靶姿态下试验弹内部的损伤情况。运用LS-DYNA对试验弹侵彻钢靶过程中装药的力学响应过程进行模拟计算。结果表明:在斜侵彻单层钢靶的过程中,着角一定时,能量损耗与攻角呈指数关系;试验弹的倾角越大,装药尾部受到的应力波拉伸压缩反复作用越明显,装药在侵彻过程中长度变化越大,更易出现深度裂纹、塌边等损伤;壳体外形变化会引起装药受到的压缩应力阻碍微裂纹的扩展和滑移,减少宏观损伤的出现。     

Damage identification in plates based on the ratio of modal strain energy change and sensitivity analysis

A two-step method based on modal strain energy is presented for damage identification in thin plates. In the first step, damage is localized with the modal strain energy change ratio approach. A method is proposed to weaken the ‘Vicinity Effect’, thus reduces the false alarms in the localization of damage. In the second step, the damage extents of the suspected damaged elements are obtained iteratively with modal strain energy change sensitivity-based finite element model updating approach. Model reduction is introduced to eliminate the measurement of rotation degrees-of-freedom in the mode shapes. Two numerical examples are studied to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed method. Both single damage and multiple damage cases are studied and good identification results are obtained. The effect of measurement noise on the identification results is investigated.