基于振动特性的结构损伤识别方法研究

论文摘要

结构的损伤往往以结构裂纹的形式出现,在一定程度上决定了结构的可靠性和安全性。因此,对含裂纹结构进行振动特性分析和损伤识别具有十分重要的意义。本文首先概述了结构损伤识别研究的现状,评价了“局部无损识别方法,基于结构静力测试的损伤识别方法,基于结构动力测试的损伤识别方法,智能诊断方法”四种当今损伤识别的主要方法。本文还介绍了裂纹模型的研究进展。其次,论文采用扭转弹簧模型,研究了裂纹梁的动力特性;推导了含裂纹的梁的弯曲自由振动方程;通过振动微分方程,借用导纳概念建立裂纹处变形协调方程。然后,应用上述理论求解了悬臂梁和简支梁两种简单梁结构的完整状态和含裂纹状态下的解析解。分析了裂纹的位置和深度的变化对固有频率的影响,推导了含裂纹的梁结构的自由振动方程的基础上,提出了“特征方程曲线交点法”。应用有限元计算软件ANSYS对裂纹梁进行三维建模,通过空间有限元分析计算得到其模态参数模拟数据,按照本文提出的方法识别了裂纹的位置和深度。由于简支梁存在对称性,在识别过程中出现解不唯一,本文分别采用小波分析法和附加质量法解决单纯利用固有频率识别时通常出现的识别结果不唯一的问题。本文还对悬臂梁多裂纹梁的损伤识别问题作了初步的探讨。最后,将上述方法推广到复杂结构,针对连续梁、半刚架等结构,应用“特征方程曲线交点法”分两阶段研究损伤识别方法,准确地识别了结构的损伤状态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景及意义
• 1.1.2 损伤及损伤识别
• 1.2 结构损伤识别方法
• 1.2.1 局部无损识别方法
• 1.2.2 基于结构静力测试的损伤识别方法
• 1.2.3 基于结构动力测试的损伤识别方法
• 1.2.4 智能诊断方法
• 1.3 裂纹模型研究进展
• 1.3.1 等效截面法
• 1.3.2 局部刚度（柔度）法
• 1.3.3 一致裂纹梁理论
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 结构损伤识别相关理论及方法
• 2.1 概述
• 2.2 裂纹的描述
• 2.2.1 裂纹的基本类型
• 2.2.2 应力强度因子
• 2.2.3 裂纹的简化
• 2.3 导纳的概念
• 2.4 本文方法的动力学基础
• 2.4.1 梁的动力分析
• 2.4.2 损伤梁有限元模型
• 2.5 本章小节
• 第三章 基于振动特性的简单结构损伤识别
• 3.1 特征方程曲线交点法的基本思想
• 3.2 基于振动特性的简单结构损伤识别
• 3.2.1 悬臂梁损伤模型
• 3.2.2 简支梁损伤模型
• 3.2.3 裂纹对固有频率的影响
• 3.3 数值算例
• 3.3.1 悬臂梁损伤识别
• 3.3.2 简支梁损伤识别
• 3.4 裂纹位置识别结果的唯一性解
• 3.4.1 小波分析法
• 3.4.2 附加质量法
• 3.5 基于振动特性的悬臂梁多损伤识别
• 3.5.1 含两条裂纹悬臂梁的识别
• 3.5.2 算例分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于振动特性的复杂结构损伤识别
• 4.1 基于振动特性的连续梁损伤识别
• 4.1.1 完整连续梁模型
• 4.1.2 连续梁损伤模型
• 4.1.3 数值算例
• 4.2 基于振动特性的半刚架的损伤识别
• 4.2.1 完整半刚架模型
• 4.2.2 半刚架损伤模型
• 4.2.3 数值算例
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士期间发表论文和参加的项目工作）
• 附录B 附表