子结构界面连接参数识别的波传播法

提出一种基于波传播法识别子结构连接界面刚度和阻尼的新方法。以子结构在平面内的弯曲振动为例,将单元的状态变量与波模式联系起来。通过单元波幅系数的识别,得到连接界面的位移和力向量,再由结点上位移连续及力平衡条件,求得连接界面各个自由度上的动刚度。在识别过程中,将动刚度分离为实部和虚部,以便于连接刚度和阻尼的独立识别。为了提高识别精度,选择一定的频率范围,在每一频率下求得连接界面的刚度和阻尼,最后求出统计平均值作为界面的连接参数。数值仿真算例表明本方法具有良好的识别精度和数值稳定性,是一种极有潜力的参数辨识方法。     

碰撞激发弹粘塑性波传播的动态子结构方法

基于固定界面模态综合法,将柔性结构划分为多个子结构,采用添加-删除技术处理接触约束,建立柔性结构弹粘塑性碰撞动态子结构模型。考虑冲击载荷作用下出现的材料的应变率效应,采用Cowper-Symonds本构关系,推导柔性结构在模态坐标下的碰撞动力学方程,提出柔性结构碰撞弹粘塑性波传播的动态子结构方法,并通过理论证明主模态的存在性和主模态截断的收敛性。运用该方法分析直杆纵向碰撞和简支梁横向碰撞问题,计算结果表明,弹粘塑性波的传播速度,超应力效应,以及超应力幅值逐步衰减等波传播特征,均符合弹粘塑性波的理论特征。同时,通过将碰撞力和弹粘塑性波的数值计算结果与三维动力有限元解进行对比,验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹粘塑性波传播的有效性。     

梁杆碰撞激发瞬态波传播的动态子结构模型

针对梁杆碰撞问题,通过推导物理坐标和模态坐标下的动力学控制方程,采用黏结接触模型和单轴压缩局部接触模型处理碰撞产生的接触约束,提出一种适用于梁杆碰撞激发瞬态波传播研究的动态子结构模型。与理论解的比较表明,该动态子结构模型具有良好的数值收敛性和较高的计算精度。数值计算结果显示,该模型能够有效地分析碰撞激发的杆中轴向波和梁中弯曲波的传播、反射和相互干涉。借助该模型,分别研究轴向波和弯曲波通过碰撞接触约束的传播效应,研究结果表明,柔性构件碰撞的一个显著特征是波传播效应直接影响碰撞力响应,并使碰撞力响应形式变得异常复杂。     

基于波传播和阻抗特性的裂纹梁损伤识别

基于结构振动波传播理论,讨论了在简谐力作用下,裂纹简支梁的弯曲波动解。为了描述由裂纹引起的梁中波传播的不连续特性,引入弯曲弹簧模型来模拟裂纹,并在此基础上提出了利用梁结构驱动点阻抗特性的裂纹损伤识别方法。以一裂纹简支梁为例进行了数值分析,得到了裂纹简支梁的驱动点阻抗特性曲线。从该曲线可以发现,梁的第一阶谐振频率和反谐振频率都随裂纹的出现而减小,并且频率减少量随裂纹尺寸的增大而增加。结合裂纹梁第一阶谐振频率与驱动点位置关系曲线,利用曲线上出现的突变点,准确地识别了梁的损伤状态和裂纹损伤位置。最后,利用已识别的裂纹位置和第一阶固有频率定量地识别了裂纹尺寸。     

基于子结构模型剪切型框架结构损伤识别

提出了适用于剪切型框架结构的损伤定位和损伤定量识别方法。首先,用剪切型框架结构的运动方程和中心差分法确定子结构的划分方式;然后,根据子结构的输入输出关系和已知输入自回归移动平均(autoregressive moving-average with exogenous inputs,简称ARMAX)模型的对应关系,提出了利用子结构输入输出数据建立ARMAX模型的定阶方法;最后,利用子结构ARMAX模型系数向量的马氏距离来构造损伤识别指标,并选用受试者工作特征曲线下面积和Bhattacharyya距离进行损伤部位和损伤程度的识别。模拟算例和试验表明,提出方法能准确识别剪切型框架结构的损伤部位和损伤程度的相对大小,且具有较好的抗噪性能。     

结构裂纹损伤的Lamb波层析成像监测与评估研究

结构健康监测研究中,板壳类结构裂纹损伤监测一直是研究的热点。采用基于相关性分析的概率损伤重构算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage,RAPID),对结构裂纹损伤监测进行研究。利用RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构,克服了Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响。在此基础上提出一种改进的RAPID算法,根据裂纹损伤对Lamb波监测信号的反射及散射作用,通过校正损伤区域中裂纹方向上的信号差异系数值(Signal difference coefficient,SDC),强化裂纹方向上的重构图像信息,实现对裂纹损伤的图像重构,并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。试验结果表明,该方法能较为准确地实现对裂纹损伤的直观图示,重构出的裂纹层析图像能很好地反映裂纹的信息,实现方向及长度的评估,可用于对裂纹损伤的定量评估和扩展监测。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

基于子结构平均单元能量的结构动态特性优化

为了提高结构优化的可行性和高效性,提出了一种基于子结构平均单元能量的结构动态特性优化方法。从建立优化模型出发,结合结构几何特性将整体结构划分为多个准设计变量子结构,对于桁架结构来说,将每根杆作为一个子结构,对于连续结构而言,多个单元作为一个子结构,再结合结构平均单元体积应变能及平均单元动能与结构动态响应贡献的关系,将平均单元体积应变能较大的结构单元作为尺寸应该变大的子结构,平均单元动能较大的结构单元作为单元尺寸应该变小的子结构,从而确定了设计变量的合理范围。推导了平均单元能量与结构动态响应的关系,构造了结构动态特性优化模型,调用基于梯度的优化器进行迭代寻优。以124杆桁架结构为例的三类优化模型进行优化分析,并与传统优化方法从优化结果和收敛性两方面进行比较,说明了文中方法的合理性和优越性。     

大型复杂起重机械结构三维有限元子结构模型分析

针对大型复杂的起重机械整体结构力学分析的难题,在子结构技术的基础上,建立了大型起重机械整体结构的有限元模型技术,以大型冶金铸造起重机为例详细阐述了大型复杂结构有限元模型简化原则和子结构划分方法,确保了整机的传力路线完整性,将大型冶金铸造起重机划分为三级子结构,重点突出了六大结构件,即主小车、副小车、主梁、副梁、端梁、行走结构,实现了整机三维有限元模型完整性和准确性。分析结果通过和试验、规范计算对比,应力和位移最大的误差分别为4.2%和4.9%,具有和试验一致性的结果,因此对于子结构的三维有限元模型技术方法在大型起重机械整体结构是可行的。     

基于小波分解的框架结构缺陷识别方法

为了检测出框架结构的缺陷，在小波分解的基础上，通过对脉冲激励下正常和有缺陷的框架结构模型的响应进行分析，以输出信号各频带内能量为元素构造一个特征向量，对照各层缺陷对应的特征向量来确认结构的缺陷位置。最后，实验验证了本文方法的正确性。     

基于谱元法的板结构中导波传播机理与损伤识别

建立板结构的三维谱元法模型和结构-压电晶片耦合模型,对铝合金板中Lamb波的传播机理和与损伤作用规律进行研究。以单点激励力模型研究了板中Lamb波的频散关系,从理论上对所建立的模型进行了验证;基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下导波的传播规律;研究单一压电晶片、板中上下表面施加同相位或反相位激励电压的两个压电晶片三种情况下结构的响应;对板中传播Lamb波的幅值与传播距离的关系进行分析;采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的裂纹损伤,研究Lamb波与损伤的作用;结合试验分析,验证所仿真结果结论的正确性。相对二维谱元法模型,所建立的板结构三维谱元法模型能更真实地模拟结构中导波的激励与接收以及波的传播。     

应变模态在框架结构节点损伤诊断中的应用研究

通过对某7层钢制框架结构节点损伤的数值模拟和模型试验，利用应变模态在结构损伤前后的相对变化进行框架结构节点损伤的诊断。结果表明，一阶应变振型对损伤及其位置敏感，高阶应变振型节点的存在使得依据高阶应变模态进行损伤诊断时容易造成误判。因此，利用一阶应变振型在损伤前后的相对变化可以对框架结构节点的损伤进行诊断。     

运用拓扑优化的结构损伤定位

以结构共振频率和结构某点的反共振频率为基础,对拓扑优化中的渐进结构优化法应用于结构损伤定位的可行性进行了研究。基于结构共振频率和反共振频率的灵敏度分析,建立了损伤定位的数学模型,提出了利用渐进结构优化法进行损伤定位的策略。针对单一和多处损伤结构,分别给出了损伤定位的数值算例,对不同的损伤结构予以讨论,并准确识别出了损伤位置。结果表明,在已经测得结构损伤前后共振频率和反共振频率的基础上,渐进结构优化法能够在整个结构区域内寻找损伤点,有较好的搜寻效果。     

利用非线性Rayleigh波检测镁合金厚板疲劳损伤的仿真和试验研究

为在波结构上扩展非线性超声无损检测技术的工程应用范围,提出一种将压电传感器直接安装在试件的边缘激发和接收Rayleigh波的方式,通过有限元数值仿真验证了此方法是有效的.利用此试验系统和方法验证非线性Rayleigh波的累积效应,非线性系数随Rayleigh波传播距离的增加近似线性增长,表明Rayleigh波的非线性特...     

环境激励下检测结构损伤的柔度灵敏度方法

提出了一种利用环境激励下的模态数据检测结构损伤的柔度灵敏度方法,该方法是柔度灵敏度方法的一种推广.对于环境激励下所得的不归一化的振型,引入振型归一化系数,并把这些系数作为新的未知量,通过对柔度灵敏度方程作适当的变形,并利用矩阵的拉直运算和广义逆,把各单元的损伤参数和各振型归一化系数一并予以求解.所提方法不仅能够识别出结构的损伤状况,还能获得各振型归一化系数,且理论简单,易于计算机编程实现.以某个2层的框架结构为例对所提方法进行了验证,结果表明,采用环境激励下的模态数据,能够较好地识别出结构损伤,且能得到比较精确的振型归一化系数.     

改进的特征值灵敏度在结构损伤识别中的应用

传统的特征值灵敏度分析中忽略了振型变化的影响,导致特征值灵敏度难以准确地识别出结构损伤。为提高特征值灵敏度的准确性,利用未损伤结构的振型线性表示损伤情况下结构振型的变化,进而改进了特征值灵敏度的理论分析方法。在不同的损伤工况下,计算数值模型改进前后的特征值灵敏度,验证表明改进后的特征值灵敏度具有更高的精度。以孔洞直径和位置均未知的实际结构为研究对象,利用改进后灵敏度方法准确识别了结构损伤的位置和程度,与结构的孔洞直径和位置实测值相吻合,表明了改进后灵敏度方法具有准确实用性,从而弥补了传统特征值灵敏度法在结构损伤识别中的缺陷。