基于模态分析的木塑复合板材振动特性研究与缺陷识别

论文摘要

木塑复合材具有环保、经济、低碳、可再利用等优点,它已逐渐发展成为一种新型的、重要的工业材料。其应用领域由过去比较简单的低附加值产品向相对复杂的高附加值产品如房屋、建筑、管材、地板等方向发展。开展木塑复合板材的振动特性及无损检测研究将能够为基于木塑复合材的结构抗震及抗冲击设计、内部损伤检测、动态性能评估等提供依据。本论文以高密度聚乙烯(High density polyethylene, HDPE)基木塑复合板材为研究对象,从理论分析、试验测试、有限元模拟等多个角度较系统地研究了木塑复合板材的固有频率、位移和曲率模态振型、动弹性模量等振动特性的变化规律,并结合BP神经网络对其缺陷实现了定性和定量辨识。本研究系统阐述了木塑复合板材振动特性的模态分析理论；在此基础上,对完好和含有缺陷的HDPE基木塑复合板材样本进行了振动模态试验,基于测试到的频域信号,识别并对比了频率响应函数、固有频率、位移和曲率模态振型、动弹性模量的变化；运用ANSYS建立了木塑复合板材有限元模型,在完好和含缺陷状态下对其进行了模态分析,对有限元模拟结果与试验模态分析结果进行了对比及相互验证；结合BP神经网络,分别以固有频率、位移和曲率模态振型为识别指标,构建了定性、定位和定量缺陷辨识网络,验证了网络辨识能力,讨论了各指标对缺陷的敏感度。最后,在常温和冻结状态下,对样本进行了振动试验,对比分析了常温和冻结状态下木塑复合板材的固有频率和动弹性模量变化。研究结果表明：(1)固有频率和振型是木塑复合板材两个重要的振动特性参数。缺陷对木塑复合板材的固有频率有显著影响。与完好时相比,含缺陷木塑复合板材的各阶固有频率均会降低。位移模态振型对内部的小缺陷、小损伤不十分敏感,而曲率模态振型是一个对结构缺陷位置及大小比较敏感的参数。(2)采用纵波法、纵向共振以及弯曲共振等3种方法所测得的完好木塑复合板材试样的动弹性模量均高于其静弹性模量值,动弹性模量与静弹性模量的比值分别为3.02,2.94和2.83。缺陷对木塑复合板试样动弹性模量影响显著。含缺陷试样的动弹性模量要明显低于完好试样,中间位置缺陷对动弹性模量的影响更显著一些。(3)用固有频率、位移模态振型及曲率模态振型作为识别指标,构建的缺陷识别神经网络,能够有效地对木塑复合板材是否含有缺陷、以及缺陷位置和大小进行辨识。(4)与常温相比,冻结状态木塑复合板材的固有频率和动弹性模量均更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 木塑复合材料概述
• 1.2.1 复合材料简介
• 1.2.2 复合材料的发展和应用
• 1.2.3 复合材料的特点
• 1.2.4 木塑复合材料
• 1.3 振动理论和动态分析
• 1.4 模态分析和无损检测技术
• 1.4.1 模态分析
• 1.4.2 无损检测技术
• 1.5 基于模态分析的木材及木塑复合材振动特性和无损检测研究进展
• 1.5.1 国外研究进展
• 1.5.2 国内研究进展
• 1.5.3 温度对木质材料性能的影响
• 1.6 论文的主要研究内容和创新点
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 创新点
• 1.7 本章小结
• 2 木塑复合板材模态分析的理论模型
• 2.1 引言
• 2.2 振动及模态分析理论
• 2.2.1 振动系统的力学模型和特性参数
• 2.2.2 物理模型与模态模型的转换
• 2.2.3 频响函数
• 2.2.4 频域模态参数识别
• 2.2.5 曲率模态分析
• 2.3 振动信号分析理论
• 2.3.1 离散傅里叶变换
• 2.3.2 信号采样定理和量化
• 2.3.3 泄露与加窗
• 2.4 本章小结
• 3 木塑复合板材振动特性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 测试方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 缺陷对频响函数的影响
• 3.3.2 缺陷对固有频率的影响
• 3.3.3 缺陷对位移模态振型的影响
• 3.3.4 缺陷对曲率模态振型的影响
• 3.3.5 缺陷对木塑复合材动弹性模量的影响
• 3.4 本章小结
• 4 木塑复合板材振动特性的有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 有限元方法及ANSYS软件
• 4.2.1 有限元方法
• 4.2.2 ANSYS软件
• 4.3 有限元模型建立与分析方法
• 4.3.1 有限元模型建立
• 4.3.2 基于模态分析的固有频率和位移模态振型提取
• 4.3.3 曲率模态振型计算
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 有限元模型的固有频率
• 4.4.2 有限元模型的模态振型
• 4.4.3 有限元模拟与试验测试固有频率对比
• 4.5 本章小结
• 5 基于BP神经网络的木塑复合板材缺陷定量辨识
• 5.1 引言
• 5.2 人工神经网络及神经元模型
• 5.2.1 人工神经元模型
• 5.2.2 神经网络互连模型
• 5.2.3 神经网络计算优势
• 5.3 BP神经网络及算法
• 5.4 BP网络缺陷识别步骤
• 5.5 木塑复合板材缺陷识别
• 5.5.1 BP神经网络设计
• 5.5.2 缺陷定性辨识
• 5.5.3 缺陷定位辨识
• 5.5.4 缺陷定量辨识
• 5.5.5 缺陷辨识指标敏感度比较
• 5.6 本章小结
• 6 冻结与常温木塑复合板材振动特性对比
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 测试方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 冻结与常温木塑复合板材固有频率对比
• 6.3.2 冻结与常温木塑复合板材动弹性模量对比
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢