船體局部結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與檢測(cè)研究.pdf_第1頁(yè)
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1、船舶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在惡劣的海洋環(huán)境里工作,在海水腐蝕和強(qiáng)烈的波浪載荷作用下,局部很容易發(fā)生損傷,如果損傷未能得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理,任由其擴(kuò)展到足以影響結(jié)構(gòu)整體承載能力的程度,船舶結(jié)構(gòu)就面臨著失效的危險(xiǎn)。一旦船舶在海上發(fā)生失效事故,不但會(huì)造成巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失,還會(huì)嚴(yán)重影響周邊海域的自然環(huán)境,乃至造成海洋生態(tài)災(zāi)難。研究船舶結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)問(wèn)題,建立行之有效的檢測(cè)方法,在損傷尚處于弱小狀態(tài)時(shí)即能發(fā)現(xiàn)之并采取有效措施對(duì)其進(jìn)行處理,維持船舶結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)

2、行,具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。
   本論文主要研究了船體中具有代表性的幾種局部結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)問(wèn)題,板、梁和板架是本文的主要研究對(duì)象,考慮到復(fù)合材料在船舶結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用逐漸增多,本文還討論了FRP三明治結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)問(wèn)題?;谛〔ㄗ儞Q和模態(tài)分析的損傷檢測(cè)法是本文的研究重點(diǎn),對(duì)其它的一些方法也進(jìn)行了討論。
   對(duì)于梁結(jié)構(gòu),首先研究了基于靜力學(xué)分析的裂紋損傷檢測(cè)問(wèn)題,建立含裂紋懸臂梁的力學(xué)模型,通過(guò)理論分析明確裂紋作用等效為附加柔

3、度的力學(xué)意義,得到了梁在懸臂端垂向力作用下的撓度曲線方程;引入慣性矩系數(shù)的概念,借助有限元工具建立附加柔度與慣性矩系數(shù)之間的關(guān)系,提出了通過(guò)測(cè)量梁上兩點(diǎn)撓度檢測(cè)裂紋位置及評(píng)估損傷程度的方法,并通過(guò)一個(gè)含裂紋梯形截面懸臂梁的算例驗(yàn)證了此關(guān)系式和檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。然后研究了基于小波變換和模態(tài)分析的檢測(cè)法,以損傷梁的模態(tài)為分析對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行連續(xù)小波變換,根據(jù)得到的小波系數(shù)的模值分布狀況和利用小波系數(shù)計(jì)算得到的模態(tài)信號(hào)的點(diǎn)態(tài)Lipschitz指

4、數(shù)都可以反映損傷的位置信息,而對(duì)模態(tài)信號(hào)進(jìn)行離散小波分解得到的細(xì)節(jié)分量同樣可以用來(lái)確定損傷的位置。文中還討論模態(tài)信號(hào)零值點(diǎn)對(duì)Lipschitz指數(shù)的干擾問(wèn)題、離散小波分解的最高階數(shù)的確定方法以及最大采樣間距的確定問(wèn)題。
   利用小波工具研究板結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)問(wèn)題時(shí),討論了局部腐蝕和局部貫穿裂紋兩種損傷狀況。本文采用兩步檢測(cè)法,先對(duì)板的位移模態(tài)進(jìn)行大間距二維采樣,對(duì)得到的粗模態(tài)信號(hào)進(jìn)行二維小波分解,然后通過(guò)分析對(duì)角細(xì)節(jié)分量初步確定

5、損傷的區(qū)域,進(jìn)而在初步損傷區(qū)域內(nèi)沿x向和y向分別對(duì)模態(tài)進(jìn)行加密一維采樣,計(jì)算細(xì)模態(tài)一維分量的Lipschitz指數(shù)值,并根據(jù)Lipschitz指數(shù)分布狀況確定損傷的形式和具體位置。本文還研究了基于應(yīng)變分析的板結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的檢測(cè)方法,從應(yīng)變出發(fā)建立了應(yīng)變能變化率和剩余彎矩指數(shù),利用這兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕損傷的定位。
   板架是船體上的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式,本文對(duì)這種結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究,考慮到板架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,重點(diǎn)討論了損傷位置的

6、確定問(wèn)題。對(duì)于簡(jiǎn)單板架結(jié)構(gòu),主要考察骨材和帶板之間的焊縫裂紋和骨材腐蝕兩種損傷。采集板在骨材處的模態(tài)信號(hào),對(duì)其進(jìn)行連續(xù)小波變換,根據(jù)小波系數(shù)的模的分布狀況確定損傷段的位置,并通過(guò)分析損傷段梁的應(yīng)變的分布狀況判斷損傷的類(lèi)型。對(duì)于更復(fù)雜的交叉板架結(jié)構(gòu),考察板格腐蝕損傷與焊縫裂紋損傷兩種工況,采用逐步分析的辦法,先根據(jù)結(jié)構(gòu)的加速度頻響函數(shù)判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷,接著利用應(yīng)變能相對(duì)變化率作為指標(biāo)參數(shù),考慮采樣控制點(diǎn)的分布,分別搜索板格腐蝕損傷和焊

7、縫裂紋損傷的損傷區(qū)域。對(duì)于焊縫損傷工況,在初步損傷區(qū)域內(nèi)對(duì)局部模態(tài)進(jìn)行采樣,對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行離散小波分析,最終確定焊縫的準(zhǔn)確位置。
   在普通鋼制梁和板的基礎(chǔ)上,考察裂紋損傷和FRP三明治結(jié)構(gòu)特有的脫層損傷,利用小波工具對(duì)FRP三明治梁和三明治板的模態(tài)進(jìn)行分析,判斷損傷的位置和范圍,并對(duì)上面板脫層和下面板脫層兩種工況進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于FRP三明治結(jié)構(gòu),基于離散小波分析的檢測(cè)方法比基于連續(xù)小波分析的檢測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確性

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