裂紋損傷結(jié)構(gòu)的振動功率流特性與損傷識別.pdf

1、本文的研究工作是國家自然科學(xué)基金項目“基于振動能量流分析的損傷結(jié)構(gòu)波動特性與損傷識別(50375059)”的一部分。本文對裂紋損傷結(jié)構(gòu)的振動功率流特性進行了理論研究和實驗研究，并在此基礎(chǔ)上提出了基于結(jié)構(gòu)功率流的裂紋識別方法。
　　 在理論上將振動功率流的研究發(fā)展到結(jié)構(gòu)損傷識別領(lǐng)域，在應(yīng)用上提出新的識別結(jié)構(gòu)損傷的測量和分析方法。
　　 文中首先對梁結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)中比較常見的裂紋進行了模擬研究。根據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)了一維

2、裂紋損傷結(jié)構(gòu)在耦合外載荷作用下在裂紋區(qū)域的局部柔度矩陣，并詳細推導(dǎo)了彎曲載荷作用下圓形截面和矩形截面裂紋梁的局部柔度并對局部柔度曲線進行了擬合。利用線彈簧模型來模擬板殼結(jié)構(gòu)中的表面裂紋和內(nèi)部裂紋，將三維裂紋模型簡化為裂紋線上作用有分布線彈簧的二維穿透裂紋模型，推導(dǎo)出了線彈簧模型的局部柔度計算公式。
　　 接著分別對含有裂紋的Timoshenko 梁結(jié)構(gòu)和薄板結(jié)構(gòu)的振動功率流特性進行了研究。對于梁結(jié)構(gòu)，將裂紋模擬為轉(zhuǎn)動彈簧，對于板

3、結(jié)構(gòu)，則將裂紋模擬為線彈簧。
　　 對裂紋梁和板結(jié)構(gòu)的波動特性進行了理論分析，在此基礎(chǔ)上對裂紋結(jié)構(gòu)功率流輸入和傳播特性進行了計算；討論了裂紋的位置、深度等參數(shù)與輸入以及傳播功率流之間的聯(lián)系。構(gòu)造不同裂紋位置和裂紋深度的組合下的歸一化輸入功率流等值線圖。
　　 首次提出了利用不同激勵頻率下裂紋損傷結(jié)構(gòu)的輸入能量流等值線圖識別結(jié)構(gòu)的裂紋位置和裂紋深度的方法，利用該方法可以對裂紋進行有效的識別。對該方法在含噪聲條件下的靈敏度進

4、行了分析，表明此方法對噪聲不太敏感。
　　 對工程中廣泛使用的圓柱殼結(jié)構(gòu)進行了研究，首次分析了含環(huán)向裂紋損傷的圓柱薄殼的振動功率流特性。利用線彈簧模型模擬裂紋，對裂紋的張開、滑移和剪切三種狀態(tài)建立了裂紋區(qū)域的局部柔度矩陣，殼體的振動用Flügge 方程來描述，考慮殼體中各種不同類型的波，利用波型疊加法得到了外激勵力作用下輸入到殼體中的輸入能量以及能量的傳播，討論了功率流特性與裂紋位置和尺寸以及殼體特性等參數(shù)的關(guān)系。給出了利用歸一

5、化輸入功率流對殼體裂紋進行識別的方法。
　　 利用有限單元法對裂紋損傷結(jié)構(gòu)的功率流進行了可視化研究。首先引入了結(jié)構(gòu)聲強的概念，給出了有限元一維、二維和三維單元中結(jié)構(gòu)聲強的表達式。然后給出了流線可視化的概念，并應(yīng)用到結(jié)構(gòu)聲強流線的可視化中。針對含有裂紋的彈性體，推導(dǎo)出了結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的結(jié)構(gòu)聲強和J積分之間的關(guān)系。計算得到了裂紋結(jié)構(gòu)在不同裂紋參數(shù)和不同激勵頻率下的位移響應(yīng)矢量圖、聲強矢量圖和流線圖。實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)表面能量分布、傳播