基于跨模型模态应变能变化的结构损伤识别两阶段法

为提高结构损伤识别精度,采用跨模型模态应变能变化(Cross-model Modal Strain Energy Changes,CMSEC)代替传统的模态应变能变化(Modal Strain Energy Changes, MSEC)建立先定位后定量的结构损伤识别两阶段法.与传统模态应变能(Modal Strain Energy, MSE)计算时仅利用结构损伤后的振型不同,跨模型模态应变能(CMSE)的计算同时利用结构损伤前后的振型.先利用CMSEC构建CMSECI (Cross-model Modal Strain Energy Index)损伤指标来确定损伤位置,筛选出疑似损伤构件后,再利用CMSEC建立定量识别损伤程度的灵敏度方程.采用基于奇异值截断的迭代法求解该方程,以避免迭代过程中可能出现的病态方程问题.根据公式构成可以定性判断CMSEC比MSEC更难被噪声干扰.某简支梁算例表明,本文方法在损伤定位和损伤定量两个阶段均比传统方法具有更高的识别精度.为了深入考察本文方法的优越性,采用蒙特卡洛法从宏观的相对误差上界和具体的相对误差分布这两个视角解释了本文方法优于传统方法的原因.

基于应变模态曲率差的木梁损伤识别

为了识别木梁截面的残缺,提出基于应变模态曲率差的木梁损伤识别方法。首先,采用ABAQUS建立完好木梁和不同程度损伤木梁的有限元模型并进行模态分析;然后,分别采用应变模态和应变模态曲率差的损伤识别指标对木梁进行损伤定位识别,通过拟合应变模态曲率差与损伤程度的关系式估算木梁的损伤程度;最后,通过木梁试验验证该指标的有效性。结果表明:应变模态损伤识别指标对木梁的截面损伤定位效果较差;应变模态曲率差指标具有较强敏感性,能够准确地识别出木梁损伤位置和程度。

定位结构损伤的改进跨模型模态应变能法

为了提高结构损伤定位的精度,提出将跨模型模态应变能与小波分析(Wavelet Analysis, WA)相结合的结构损伤定位方法。首先,计算所有单元的跨模型模态应变能指标。其次,对由各单元跨模型模态应变能指标构成的序列进行小波分析,提取高频细节系数后对其进行重构,以得到改进的损伤指标。最后,根据改进指标判断损伤位置。以某平面桁架为例并考虑5%噪声水平进行蒙特卡洛分析。结果表明,改进指标抵抗噪声干扰的鲁棒性更强,能更好地指示损伤位置。

基于模态应变能的扬声器盆架优化

针对扬声器轻量化及结构刚度、强度较高要求的设计目标,通过有限元方法进行模态及谐响应分析,对扬声器盆架低频模态应变能集中位置进行优化。优化后,一阶频率由547.3 Hz提高至995 Hz。网格迭代后,一阶频率提升至1031.6 Hz,且模态应变能趋于均匀分布。对应变能较小且非集中的区域进行轻量化优化,通过最小柔度方法对开窗区域进行拓扑优化,在中间部分质量减小40%的情况下,使一阶频率由1300.5 Hz提高至1386.6 Hz,同时使刚性提高。对0.6 mm、0.8 mm、1 mm厚度的扬声器盆架进行对比,从刚度、加速度两个维度进行验证。在有限元分析的基础上,对试验后产生严重变形的扬声器盆架进行基于模态应变能的实际优化,优化后一阶频率由1290.8 Hz提高至1755.9 Hz,同时刚性增大,应变能分布更均匀,变形得到改善。

基于模态应变能分析的车辆后门内板结构优化

本文针对开发车型后门内板局部模态频率未达到参考车型问题,通过模态应变能分析进行结构优化以提升内板局部模态频率。首先,通过HyperMesh建立后门钣金结构有限元模型并进行模态分析,识别模态发现内板局部模态未达标;然后,进行模态应变能分析找出内板局部模态薄弱点;最后,结合内板结构特点补强刚度不足的地方,提升内板局部模态频率。研究结果表明,基于模态应变能分析方法针对应变能集中位置补强结构能够有效地提升后门对应模态频率,提升后门动态性能。

利用模态应变能变化率的结构损伤识别优化方法

针对结构损伤识别过程中存在的定位精度和量化分析不足的问题,提出一种基于结构振动响应的模态应变能变化率与优化技术相结合的损伤识别方法。利用两步法确定可疑损伤单元及对其损伤程度进行量化分析。通过有限元法建立结构的损伤特征模型,且利用单元模态应变能变化率指标构建损伤指标优化分析的目标函数。数值分析过程中,利用粒子群优化算法与遗传算法对设计变量进行优化分析。同时比较模态应变能变化率与小波分析两种方法下的损伤定位的量化分析效果和识别效率。在实际算例中,利用梁结构进行损伤识别优化方法的结果验证。结果证明该方法能够显著提高结构振动损伤和定位的有效性。该方法不仅能够快速和精准地进行结构损伤量化分析,比小波方法具有更好的定位效果,而且能够提高量化分析的识别效率。但该方法在实施过程中的定位精度容易受到噪声的影响,通过优化目标函数可在一定程度上提高该结构损伤识别方法的抗噪能力。

基于应变模态的风机塔筒根部疲劳裂纹损伤检测研究

风力发电机塔筒根部所受弯矩大易产生疲劳裂纹,及早地检测发现裂纹有利于防止风机倒塌破坏。研究一种基于应变模态的塔筒根部疲劳裂纹损伤识别方法。首先建立塔筒的振动微分方程和应变模态;然后构建风机模型并进行模态分析,研究塔筒损伤前后固有频率、位移和应变模态振型的差异;最后建立应变模态变化率的疲劳裂纹识别指标,并基于最小二乘法拟合应变模态变化率与损伤程度的数学关系。结果表明:塔筒受损前后固有频率和位移模态振型无显著改变,无法进行损伤定位;应变模态振型在受损处出现峰值突变,且损伤程度越高突变越明显;应变模态变化率与损伤程度呈正相关,采用六次多项式可拟合出两者的关系。

基于模态应变能与频率融合方法的功能梯度铁木辛柯梁损伤识别研究

基于模态应变能和固有频率融合,提出识别功能梯度铁木辛柯梁损伤的新方法。由功能梯度铁木辛柯梁理论给出有限元计算公式,在此基础上计算得出梁结构的固有频率和阵型模态参数。由模态应变能与固有频率融合构造模态频率应变能的计算公式。基于模态频率应变能变化率,定义功能梯度铁木辛柯梁的损伤识别指标。数值算例表明,模态应变能和固有频率融合的损伤识别方法能够有效识别出结构的损伤单元,并且具有较好的抗噪声性能。

高速动车组横梁应变场光纤测量与反演研究

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配置的数学模型,再根据模态坐标和振型采用正则化方法反演结构应变场。仿真计算结果表明,无噪声干扰下,反演的精度较高,最大均方误差为9.87×10~(-12),并且正则化方法可以有效抑制噪声对结果的影响。搭建了基于光纤光栅传感系统的测试试验台,基于实测应变数据和模态结果反演应变场,结果表明,反演后的应变幅值相对误差带为1.21%~10.79%,反演数据和实测数据的均方误差带为0.80~3.69。该方法能够准确识别结构的模态坐标,为获取高速列车关键结构的应变场分布提供参考。

基于模态应变能变化率的公路架桥机主梁结构损伤识别研究

针对公路架桥机主梁在各种损伤条件下的损伤识别研究问题,本文以JQG160t-40m公路架桥机主梁为研究对象,基于应变模态分析理论,推导了三角桁架公路架桥机主梁结构单元模态应变能变化率的计算模型。通过在有限元软件ABAQUS建立公路架桥机的主梁模型,提取该架桥机主梁结构在12种工况下各单元的模态参数,利用Matlab计算每个单元的模态应变能变化率。结果表明:以单元模态应变能变化率作为损伤识别量,可对架桥机主梁结构的不同损伤位置和程度进行损伤识别。本方法对公路架桥机主梁结构损伤位置和损伤程度的评估是准确有效的,可以作为三角桁架类架桥机主梁结构进一步研究和定期检测的方法。

基于应变模态的采煤机摇臂振动特性及实验研究

为解决采煤机截割煤岩过程中摇臂在重载、强冲击下容易损坏的问题,以MG500/1130-WD型采煤机为研究对象,提出一种基于应变模态的采煤机摇臂振动特性辨识方法。利用Block Lanczos方法对摇臂壳体进行模态分析,获得采煤机摇臂前10阶固有频率,分析摇臂壳体与传动系统的2阶模态共振特性。根据实际截割工况,通过EDEM模拟获得截割滚筒三向截割载荷及三向截割阻力矩,使用ADAMS、EDEM、ANSYS对摇臂进行刚柔耦合动力学联合仿真,得到摇臂2阶应变模态固有频率为63.98 Hz,搭建摇臂应变数据采集系统,面向摇臂关键截面的应变响应进行截割实验,并对采集数据进行时域与频域分析。研究表明:应变模态分析与联合仿真所得摇臂2阶固有频率误差为0.52%,摇臂前2阶固有频率的模态分析与实验误差小于5%。应变模态分析方法可有效识别采煤机摇臂低阶固有频率和低频激励,为采煤机摇臂的振动研究提供新思路。

基于应变模态振型的复合材料梁结构损伤位置辨识

针对悬臂式复合材料结构健康监测需求,研究了一种基于光纤Bragg光栅(FBG)传感器与应变模态振型的结构损伤位置辨识技术。借助有限元仿真方法,建立了悬臂式复合材料梁结构力学模型。通过数值仿真,得到应变模态振型对于该类型结构局部损伤位置的响应特征。在此基础上,分别提出了基于应变模态振型变化差值和应变模态振型变化率的2种损伤位置辨识方法。根据数值仿真结果,验证了基于上述2种指标进行损伤定位的可行性。采用FBG传感器,构建了基于应变模态振型的悬臂式复合材料梁结构损伤监测系统,实现针对模拟损伤位置的辨识。

基于应变模态参数的木梁损伤识别研究

为研究基于应变模态参数识别木梁损伤的方法,文中通过有限元软件ABAQUS建立不同损伤工况下的木梁模型进行模态分析,处理分析得到位移模态、应变模态及应变模态差曲线,以曲线的突变进行损伤定位识别。结果表明应变模态和应变模态差可识别出简支木梁的损伤,且识别精度高,与通过固有频率变化和位移模态的损伤识别相比,基于应变模态参数的损伤指标在梁损伤位置识别具有明显优势。

基于单元模态应变能的梁结构分级损伤识别方法研究

针对目前利用单元模态应变能对结构进行损伤识别时精度过低、计算量大的问题,提出一种基于单元模态应变能变化率分级损伤识别方法。首先通过计算单元的各阶平均模态应变能变化率,初步判断损伤位置或损伤疑似区间;然后在损伤疑似区域内施加质量块,通过计算单元的各阶平均模态应变能变化率,进行损伤二次定位;最后利用遗传算法对损伤位置的损伤程度进行量化分析,确定损伤位置的损伤程度。

基于应变模态的波纹板损伤诊断及疲劳寿命预测

为确定波纹板的疲劳损伤位置及损伤程度,利用模态理论分析波纹板的位移和应变模态振型,结果表明,波纹板损伤前后的频率、位移振型相对变化率很小且无突变,而应变模态振型在损伤位置产生了尖峰突变,且突变值随着损伤程度的增加而增大,最终确定选取应变模态振型作为判断波纹板损伤位置和大小的指标;利用MATLAB软件拟合得到损伤程度和应变模态变化率之间的关系。由波纹板的损伤程度确定波纹板的初始裂纹尺寸,再根据Paris公式即可得到波纹板的疲劳裂纹扩展剩余寿命。

应变模态振型指标下的泡沫铝夹层梁损伤识别

阐述了通过应变模态振型对结构进行损伤识别的原理,根据泡沫铝夹层梁的结构特性建立了基于修正Timoshenko梁理论的泡沫铝夹层梁的弯曲振动方程。运用ANSYS Workbench提取泡沫铝夹层梁的模态参数,通过固有频率解析解验证了仿真数据的有效性。探讨了固有频率、位移模态以及应变模态对泡沫铝夹层梁损伤识别的敏感度,并验证了归一化应变模态振型差指标和增强应变模态振型差指标对泡沫铝夹层梁进行损伤识别具有更高的精度。

基于模态应变能基指标的结构损伤识别

基于单元模态应变能对结构损伤敏感这一特点,采用模态应变能基指标作为损伤识别指标对结构损伤进行识别。在有限元软件Abaqus中建立简支梁模型,设置单损伤、双损伤、多损伤不同工况,提取前三阶模态参数对损伤进行识别分析。此后为模拟现场实测中的噪音干扰,在获取的模态参数中加入噪音,对模态应变能基指标的抗噪性进行分析。分析结果表明:该损伤指标对不同工况损伤均有较好的识别效果,且在噪音干扰下仍能较准确的识别出损伤位置。

基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究

针对单一方法对结构同时发生多处不同程度损伤识别的不敏感性缺陷,结合小波变换在时域、频域内表征信号局部特性且能够聚焦到信号或函数的任意细节进行处理的能力,提出了一种基于单元模态应变能和小波变换的结构损伤识别方法。在单元模态应变能基础上,利用小波变换系数的变化和分布情况构建单元模态应变能小波变换结构损伤指标,通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型试验研究的结果与单元模态应变能平均变化率作为损伤识别指标的计算结果进行对比,结果表明该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度,为实际工程应用奠定了基础。

基于模态应变能耗散率理论的结构损伤识别方法

本文提出了基于模态应变能耗散率理论的一种新的结构损伤识别方法。表示结构损伤的损伤变量的概念来自于材料领域 ,并推广到了构件和结构 ;在此基础上 ,结构单元的损伤变量是通过建立模态应变能耗散率和相应的结构损伤前后的应变能变化的关系而获得。该方法所要求的结构损伤前后的振型模态可以是不完备的。对测量噪声的影响具有较强的鲁棒性。最后 ,通过数值算例的分析结果说明 ,该方法简便、有效 ,可定位结构的损伤和识别损伤的程度。

结构破损定位的单元模态应变能变化率法

提出了结构单元模态应变能的概念，并导出了基于单元模态应变能变化率的结构破损位置的诊断方法。该方法仅以结构破损前后的模态振型和单元刚度矩阵为输入信息。算例的数值结果表明，该方法简便、有效。