基于曲率模态的复合材料层合板分层损伤检测方法研究

基于振动信号应用曲率模态方法对复合材料层合板分层损伤进行损伤检测。首先由数值模拟所得不同状态下损伤以及未损伤层合板振动特性参数计算其振型曲率和均布载荷曲面值曲率;然后基于损伤与未损伤层合板曲率值的差分值建立损伤识别指标进行分层损伤检测。最后,为解决差分算法对结构未损伤模型参数的依赖性问题,引用曲面光滑算法和曲率模态变化率法直接对损伤结构进行损伤提取。结果表明,运用曲率参数差分法可以很好地识别各类损伤,且对于多层层合板来说损伤所处层的位置会影响损伤指标值的大小。曲面光滑算法和曲率模态变化率法均可不依赖于未损伤结构参数识别各类损伤,且曲面模态变化率法的检测效果优于曲面光滑算法。     

基于间隔平滑法的复合材料分层损伤识别研究

利用有限元分析软件ABAQUS建模计算,获得层合板结构的节点振型数据,然后计算得到结构的各阶模态曲率,利用间隔平滑法计算损伤指标,最终实现对分层损伤的识别。与大多数基于振动的损伤识别方法不同,间隔平滑法不需要结构完好状态时的数据或是数值计算结果作为基准,只依赖于损伤状态的振型数据就可以实现对损伤位置的准确识别,同时还能对损伤尺寸、损伤程度的相对大小做出判断。     

基于低秩与稀疏分解的层合板损伤定位

针对基于结构振型参数的损伤定位方法抗噪性差、对微小损伤不敏感以及对多损伤识别性能低等问题,基于振型低秩性与损伤分布稀疏性提出了一种复合材料层合板多损伤识别方法。首先,使用高斯?拉普拉斯算子（Laplacian of Gaussian,简称LoG）求解曲率模态;其次,利用鲁棒主成分分析提取曲率模态中损伤诱导产生的奇异值进行损伤定位;然后,提出了一个鲁棒损伤定位指标用于融合多个曲率模态的损伤信息;最后,使用带损伤复合材料层合板数值模拟与实验数据验证了方法的有效性。结果表明,该方法无需无损结构参考信息,便可准确地定位复合材料层合板中多个小面积损伤。     

AGS结构的损伤定位仿真

为了检测先进复合材料格栅结构(AG S)的损伤所在位置,提出了通过计算结构在损伤前、后模态曲率差的方法,来进行计算和分析。建立了格栅结构在有约束条件下的有限元模型,通过AN SY S中的模态分析得到模态振型位移值,计算了结构损伤前、后的模态曲率差,通过这一指标对结构的损伤进行辨识,并分析了采用多阶模态的计算效果。结果表明,通过第1阶模态振型模态曲率差的计算,可对单损伤状况做出有效的检测;对于多损伤工况,需使用前3阶模态的曲率差进行分析,才能有效检测损伤的位置。     

运用曲率模态技术的木梁损伤定量识别

为对木结构构件局部缺陷进行有效检测,结合试验模态分析和有限元模拟方法,对含不同位置、大小和数量孔洞缺陷的木梁进行研究,计算其第1阶位移模态振型和曲率模态,分析木梁损伤前后的曲率模态变化,探讨模态分析方法在木材缺陷检测中的适用性.研究结果表明:曲率模态是一个对木梁损伤比较敏感的参数,可用于对孔洞位置、大小及数量进行定量的估计;通过降低有限元模型局部单元的弹性模量能够较好地模拟木梁损伤,有限元模态分析和试验模态分析得到的位移模态振型及曲率模态吻合均较好,验证了模态分析对木梁无损检测是一种有效的方法.     

铺设角度对层合板结构声功率的影响分析*

针对层合板结构铺设角度对前二阶声辐射模态幅值和辐射声功率的影响进行分析。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的铺设角度与振动速度信息之间关系。通过声辐射模态理论,以某12层层合板结构为例,研究固定边界条件下的层合板辐射模态数、对称铺设角度、单向铺设角度以及激励力位置对声辐射模态幅值和辐射总声功率的影响。计算结果表明,在相同角度下,对称铺设层合板结构最大声功率值要小于单向角度铺设层合板结构最大声功率值;另外在低频时,对层合板结构辐射声功率起主要贡献的是前两阶辐射模态。并以某16层零度铺设的固定边界条件下的层合板结构为例,对复合材料层合板结构的声辐射模态幅值及声功率进行试验分析。     

基于曲率模态的木梁损伤定量识别

为对木结构构件局部缺陷进行 有效检测,结合试验模态分析和有限元模拟方法,对含不同位置、大小和数量孔洞缺陷的木梁 进行研究,计算其第1阶位移模态振型和曲率模态,分析木梁损伤前后的曲率模态变化,探讨 模态分析方法在木材缺陷检测中的适用性。研究结果表明:曲率模态是一个对木梁损伤比较 敏感的参数,可用于对孔洞位置、大小及数量进行定量的估计;通过降低有限元模型局部单 元的弹性模量能够较好地模拟木梁损伤,有限元模态分析和试验模态分析得到的位移模态振 型及曲率模态吻合均较好,验证了模态分析对木梁无损检测是一种有效的方法。     

基于模态参数敏感性分析的多层建筑损伤定位

将多高层房屋结构简化为周期剪切模型,运用周期结构原理和波导纳方法推导出当结构发生损伤时结构振型及其振型斜率和振型曲率的具体表达式,进而得到了周期结构模态参数的敏感性。分析表明这些振动参数的敏感性与结构参数无关,即不需要知道原始结构的物理参数就能确定敏感性系数,并以20层建筑结构为例说明了仅用一阶振型斜率和振型曲率就可以精确地进行损伤定位。     

含多处分层损伤平面编织层合板自由振动特性研究

基于层合板Mindlin一阶剪切变形理论,研究多处椭圆内埋型分层损伤对复合材料层合板固有特性的影响规律。根据一般分层模型,并采用线性接触模型模拟分层区域上、下子板的相互作用,建立含多个椭圆内埋型分层损伤平面编织层合板自由振动分析有限元模型。通过典型算例分析,分别讨论分层类型、位置和数目或深度诸参数对平面编织层合板固有频率的影响。结果表明,对于内埋型分层损伤,表面分层与中间分层对固有频率的影响区别很小;分层深度越深,越靠近固支端,损伤对层合板固有频率的影响越大;纵向椭圆内埋分层对平面编织层合板固有频率的影响比横向椭圆内埋分层要更严重。     

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。     

基于模态分析的裂纹齿轮特征识别

为辨别裂纹齿轮的故障位置,通过有限元技术和模态曲率对比分析,获得了裂纹齿轮的动力学特性。建立了正常齿轮和裂纹齿轮的精确模型,利用ANSYS软件计算了齿轮的固有频率和振型,并通过差分法获得振型的模态曲率。分析结果表明,裂纹齿轮的弯曲振动模式发生频率分裂现象,固有频率和振型的变化不明显,而模态曲率的变化可明显指出裂纹的位置。     

基于频率变化率的结构刚度非均匀退化识别

针对不利环境作用、损伤等易造成结构局部损伤且刚度退化程度不均匀的问题,以受弯梁为研究对象,从构件动力特性入手,综合考虑损伤前后的模态挠度曲率和固有频率变化,提出了基于频率变化率的刚度非均匀退化识别方法。首先,在柔度矩阵的基础上推导模态挠度曲率,通过损伤前后模态挠度曲率的改变量识别损伤位置参数,判定损伤区域;其次,对损伤区域进行节段划分,从欧拉-伯努利梁的动力方程出发建立损伤程度、损伤区域位置参数与固有频率之间的矩阵函数,实现直接利用频率值变化评估构件不同区域损伤程度。研究结果表明,该方法能很好地识别结构局部损伤位置和损伤程度,尤其是对于结构局部刚度不均匀退化的评估具有明显的优势。     

基于分层理论的层合板结构声辐射模态传感器设计

在低频时控制振动板结构的声辐射模态幅值是降低结构辐射声功率的一种有效策略。提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量复合材料层合板结构声辐射模态幅值。通过聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器阵列输出信号设计加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为所需结构声辐射模态幅值。加权系数取决于复合材料层合板结构振动模态表达式。由于复合材料层合板结构复杂动力学特性,通过分层理论结合有限元法得到离散结构模态值,并对有限元离散结构模态进行最小二乘法的曲线拟合,从而得到层合板结构振动模态表达式。数值结果表明该方法计算层合板结构模态以及PVDF声辐射模态传感器设计是可行的。对试验数据进行分析比较。     

基于曲率模态的空间刚架结构损伤识别的研究

应用Ansys建立空间刚架结构无损伤和有损伤的有限元模型,选取曲率模态作为损伤标示量应用于结构损伤识别。对空间三维曲率模态进行比较分析,结果表明,一阶曲率模态能够很好的对单一或多个损伤位置进行识别,且轴向曲率模态比横向曲率模态更适用于损伤识别。一阶曲率模态也可以对损伤程度进行初步判断,为探索通过曲率模态识别空间钢结构损伤提供一种可行的方法。     

损伤结构的曲率模态分析

基于结构有限元分析软件ANSYS得到的结构位移模态分析数据，针对具有不同损伤状况的悬臂梁进行了结构曲率模态分析。研究结果表明，曲率模态分析技术不仅能准确诊断悬臂梁损伤位置，而且可以判断悬臂梁的损伤程度。仿真结果表明，本文提出的曲率模态幅值突变系数与结构损伤程度之间具有较好的线性相关性。     

结构动力特性变化规律及结构损伤检测方法的试验研究

结构的损伤改变结构的动力特性及动力响应。用试验测试结构及其损伤后的固有频率、加速度响应,结果表明,固有频率与加速度动力响应对结构损伤不敏感,即结构发生损伤时上述值均没有明显变化。同样,由共振时的响应值可以推知,振型也不宜作为结构损伤的判断标准。应变模态在损伤处发生突变表明,结构损伤时,损伤位置的应变会有明显变化,因此应变模态可以作为结构损伤的判据。基于曲率模态的结构损伤检测方法依然对损伤很敏感,对多处损伤的检测也有很好的效果。     

含分层复合材料层合板剪切稳定性数值模拟研究

对含单一分层的复合材料层合板在纯剪切情况下的稳定性进行了数值模拟研究,分析了分层损伤对于层合板稳定性的影响,并引入内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM),进一步分析了层合板后屈曲过程中的分层扩展行为。通过对不同尺寸的分层损伤的模拟分析,发现层合板的屈曲模式和屈曲临界载荷与分层直径密切相关。随着初始分层损伤区直径的增大,层合板屈曲临界载荷随之减小,且层合板屈曲模式由整体屈曲转变为混合屈曲模式。另外,在初始分层区直径达到一定大小后,层合板在后屈曲过程中会发生分层扩展破坏。     

激励点优化和加速度信号的结构损伤识别

通过对激励点优化布置获取结构的响应信息,提出了一种以加速度信号差曲率函数作为损伤指标,直接利用输出信号快速判断结构损伤位置的方法.首先计算模态振型,以模态保证准则(MAC)矩阵非对角元素最小值作为适应度函数,采用改进粒子群算法(MPSO)优化激励点数量和位置,再运用平均加速度幅值和均方根评价准则选择较优的激励点布置方案;然后试验激励对应的位置,获取加速度信号后计算测点处损伤前后加速度差的平方的积分值,运用曲率指标函数确定损伤位置,并对加速度信号通过巴特沃斯滤波后作为改进多尺度样本熵(MMSE)的输入样本;最后根据MMSE均值的变化,判定各工况相对损伤程度变化.结果表明:利用结构响应的加速度信号差曲率函数适合作为损伤识别的判别指标,通过三维桁架振动台中螺栓连接的状态模拟损伤,可以对不同损伤工况进行损伤诊断.     

振型曲率在板类结构动力检测中的应用

以四边简支方形弹性薄板为研究对象，通过数值计算得到板损伤前后的多阶模态参数，进而得到板面内两个方向的位移振型曲率并用于板的损伤检测研究。结果表明：当布置有足够数量的振型测点时，振型曲率及板损伤前后的振型曲率差均可用于板损伤的探测与定位，并能大致判断损伤的程度；当振型测点间距过大，或测点偏离损伤区域时，均可能导致检测的失败。     

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析

参照标准试验方法,开展了层合板低速落锤冲击试验,获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据,并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了凹坑深度-冲击能量、剩余压缩强度-凹坑深度的变化关系,并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。建立了层合板低速冲击损伤分析模型,分别采用Hashin失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤,利用有限元分析了层合板低速冲击过程,得到了不同冲击能量下分层损伤面积。结果表明,凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力,随着冲击能量的增大,剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低。有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声C扫描结果吻合较好。