基于裂纹等效扭转弹簧模型的裂纹梁振动分析

基于开裂纹的等效扭转弹簧模型,研究了裂纹梁动力特性和动力响应的计算方法.在给出裂纹梁等效抗弯刚度的基础上,建立了一种新的裂纹梁动力控制方程通解的求解方法,给出了具有任意条裂纹Euler-Bernoulli梁振动模态的统一显示表达式.数值分析了简支、悬臂和两端固支裂纹梁的自振频率和振动模态,并研究了简支裂纹梁在集中简谐载荷作用下的动力响应,考察了裂纹条数和深度等对裂纹梁动力特性和动力响应的影响.结果表明:随着裂纹深度和条数的增加,裂纹梁的自振频率减小,且当裂纹较深时,裂纹深度对自振频率的影响更为显著;裂纹梁的模态曲线在裂纹处呈现尖点,其尖点处斜率的改变随裂纹深度的增加而增加,且当裂纹处的弯矩为0时,裂纹对梁的模态和频率没有影响;由于裂纹梁的模态仍满足正交性,因此可采用模态叠加法分析裂纹梁的动力响应.

基于裂纹扭转弹簧模型的Timoshenko裂纹梁动力特性分析

忽略裂纹对梁剪切变形的影响,基于开裂纹的等效扭转弹簧模型,建立了Timoshenko裂纹梁动力弯曲的控制方程,得到了一种新的裂纹梁动力弯曲控制方程的求解方法,得出了具有任意条裂纹Timoshenko梁自振模态的统一显式表达式。数值分析了简支、悬臂、两端固支Timoshenko裂纹梁的自振频率和振动模态,考察了裂纹数目和裂纹深度等因素对裂纹梁动力特性的影响。结果表明:随着裂纹数目和深度的增加,裂纹梁的自振频率减小,且当裂纹较深时,裂纹深度对自振频率的影响显著;裂纹梁的挠度模态曲线和转角模态曲线在裂纹处分别呈现尖点和跳跃现象,且尖点效应和转角跳跃随裂纹深度的增加而愈加明显。另外,当裂纹处的弯矩为零时,裂纹对梁的自振频率和振动模态没有影响。这些结果可对梁的安全性评估及裂纹损伤检测提供理论指导。

基于裂纹诱导弦挠度的梁裂纹损伤识别

基于裂纹诱导弦挠度函数的构造特征,研究了任意边界条件下的Euler-Bernoulli梁中裂纹的静力损伤识别方法.首先,将裂纹等效为线性扭转弹簧,得到了任意边界条件下裂纹Euler-Bernoulli梁静力弯曲挠度的解析通解;然后,证明了裂纹诱导弦挠度函数为分段三次多项式函数,并建立了基于挠度测量的、通过拟合裂纹诱导弦挠度函数识别裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度的数值方法;最后,数值验证了所提出的裂纹损伤识别方法的适用性和可靠性,考察了挠度测量误差、裂纹位置和深度等对损伤识别结果的影响.结果表明:裂纹位置的识别精度高于裂纹等效扭转弹簧柔度的识别精度,裂纹数量及裂纹识别区间的选取对裂纹损伤识别结果的影响有限,所提出识别方法具有较强的鲁棒性.

基于裂纹诱导挠度的悬臂梁裂纹静力损伤识别

将梁横向裂纹等效为内部扭转弹簧,利用广义Delta函数和Heaviside函数,首先给出了悬臂Euler-Bernoulli裂纹梁静力弯曲的解析解,证明了裂纹诱导挠度函数是分段线性函数,且在裂纹处其斜率发生突变,为梁横向裂纹位置的确定提供了理论依据.利用裂纹处裂纹诱导挠度函数斜率的改变,给出了裂纹等效扭转弹簧柔度的计算公式,从而实现了梁横向裂纹损伤程度的识别.其次,给出了根据裂纹梁挠度测量值逼近裂纹诱导挠度函数及确定裂纹位置和裂纹损伤程度的数值方法.最后,通过两个数值算例验证了本文所建立的悬臂梁横向裂纹损伤识别方法的适用性和可靠性,考察了梁裂纹深度和挠度测量噪声等对损伤识别的影响,结果表明横向裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度识别误差随挠度测量误差增大和裂纹深度减小而增大,但仍在可接受的范围内,故该裂纹损伤识别方法在工程实际中具有一定的应用性.

边界非完整约束悬臂裂纹梁的静力参数识别

建立了边界非完整约束悬臂裂纹梁边界支承柔度和裂纹损伤程度的静力参数识别方法.首先,将悬臂裂纹梁边界非完整约束等效为竖向和扭转弹簧,梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧,得到了弹性支承边界悬臂Euler-Bernoulli裂纹梁静力弯曲的显式闭合通解;其次,根据弹性支承悬臂裂纹梁的损伤诱导挠度函数和裂纹诱导弦挠度函数是分段线性函数等性质,给出了边界弹性支承柔度和裂纹损伤程度的计算公式;最后,通过数值试验验证了该悬臂裂纹梁边界弹性支承柔度及裂纹损伤程度识别方法的适用性和可靠性,考察了挠度测量噪声和裂纹深度等对参数识别的影响.试验结果表明,随着挠度测量误差的增大,参数识别误差总体随之增大,但识别结果仍在可接受的范围内,因此该方法可用于实际工程中的边界非完整约束悬臂裂纹梁的参数识别.

基于裂纹诱导弦挠度的简支外伸梁裂纹损伤识别

基于梁横向开裂纹的线性扭转弹簧模型,给出了具有任意裂纹数目的简支外伸梁弯曲挠度的显式解析解,研究了集中载荷作用下简支外伸梁裂纹诱导弦挠度函数的性质,给出了裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度的近似表达式,从而实现了梁横向裂纹位置及裂纹损伤程度的识别.在此基础上,为利用裂纹梁的测量挠度识别裂纹损伤,提出了分段线性函数的最佳拟合法,实现了简支外伸梁裂纹的损伤参数识别.通过数值试验验证了该识别方法的适用性和可靠性,考察了识别结果对梁挠度测量误差和裂纹深度的敏感性,结果表明随着挠度测量误差的增大,裂纹损伤参数识别误差增大,但裂纹损伤识别方法具有较强的鲁棒性,在工程实际中具有一定的应用性.

基于裂纹附加模态的梁裂纹损伤识别方法

将梁中横向开裂纹等效为内部扭转弹簧,利用广义Delta函数和Heaviside函数,给出了具有任意条裂纹Eu-ler-Bernoulli梁振动模态的统一显式解析表达式.在此基础上,引入裂纹附加模态的概念,并根据裂纹附加模态函数的构造特征,利用最小二乘拟合,建立了一种新的裂纹损伤参数识别方法.该方法计算简单,且仅需较少的测量点及测量点处某一模态的测量数据即可实现裂纹位置及深度的识别.最后,通过两个数值算例验证了裂纹损伤参数识别方法的适用性和可靠性,并考察了测量噪声对损伤识别的影响,结果表明裂纹位置识别精度高于裂纹等效弹簧刚度识别精度;前面裂纹识别结果影响后续裂纹的识别结果;随着测量噪声的增加,裂纹位置及裂纹等效弹簧刚度的识别误差增加,但仍在可接受的范围内,故该裂纹损伤识别方法在工程实际中具有一定的适用性.

基于裂纹诱导弦挠度的梁开闭裂纹损伤识别

考虑裂纹缝隙效应,建立了Euler-Bernoulli梁中开闭裂纹位置、深度和初始张开角等损伤参数的识别方法.首先,基于梁中开闭裂纹的等效单向扭转弹簧模型,给出了开闭裂纹Euler-Bernoulli梁静力弯曲挠度的显式闭合解.在此基础上,证明了裂纹诱导弦挠度函数由分段三次多项式组成,并基于其构造特征,建立了基于测量挠度的梁中开闭裂纹位置、裂纹等效扭转弹簧柔度、裂纹初始张开角和裂纹上下侧属性等参数的数值识别方法.最后,通过数值实验考察了挠度测量误差和裂纹位置等对裂纹识别结果的影响,结果表明:裂纹位置、裂纹等效扭转弹簧柔度和裂纹初始张开角等的识别误差随挠度测量误差增大而增大,但裂纹识别结果具有较强的鲁棒性,在工程实际中具有一定的应用前景.

考虑轴力二阶效应悬臂梁的支承及裂纹参数识别

建立了轴向压力作用下悬臂裂纹梁边界支承和裂纹损伤程度识别方法.首先,将悬臂梁边界非完整支承等效为竖向和扭转弹簧、梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧,利用Laplace变换,得到了边界弹性支承、考虑轴向压力二阶效应、具有任意裂纹数目Euler-Bernoulli悬臂梁弯曲挠度的解析解.其次,提出了边界弹性支承弹簧柔度和裂纹等效扭转弹簧柔度的识别方法.最后,通过数值试验,考察了轴向压力,裂纹深度以及测量误差等对识别结果的影响,说明了本文考虑轴向压力二阶效应的悬臂梁边界支承弹簧柔度及裂纹等效扭转弹簧柔度识别方法的适用性和可靠性,结果表明:相比于应变测量误差,挠度测量误差对裂纹损伤程度识别结果影响更加敏感,且轴向压力对裂纹损伤程度识别影响较小,因此,应严格控制挠度的测量误差.同时,边界支承扭转弹簧柔度的识别误差大于其竖向弹簧柔度识别误差.这些结果为实际工程中边界非完整支承悬臂裂纹梁的参数识别提供了指导.

Winkler基础上连续裂纹梁的动力特性

基于梁中开裂纹的无质量线性扭转弹簧模型,建立了Winkler基础上连续裂纹Euler-Bernoulli梁的动力响应控制微分方程,给出了其动力特征的一种简便求解方法,得到了Winkler基础上具有任意裂纹数目连续EulerBernoulli梁自振频率特征方程以及自振模态的统一显式解析表达式.在此基础上,数值分析了Winkler基础上两等跨简支连续裂纹梁的动力特性,揭示了长高比、裂纹深度、位置和数目等参数对连续裂纹梁动力特性的影响,结果表明:连续裂纹梁自振频率和模态依赖于基础反力系数、裂纹位置和深度,但当裂纹处的弯矩为零时,裂纹对梁自振频率和模态无影响;基础反力系数越大,梁自振频率越高,但随着裂纹深度和裂纹数目增加,自振频率愈发降低,这些结果可为结构安全评估提供指导.

悬臂梁中开闭裂纹的损伤识别

利用裂纹诱导弦挠度函数,建立了悬臂Euler-Bernoulli中开闭裂纹位置、深度、初始张开角等损伤参数的识别方法。为此,首先将梁中开闭裂纹等效为单向扭转弹簧,给出了考虑裂纹缝隙效应的裂纹梁等效抗弯刚度,并得到悬臂Euler-Bernoulli开闭裂纹梁弯曲挠度的显式闭合解及裂纹诱导弦挠度函数,证明了裂纹诱导弦挠度的分段线性函数。其次,基于单向扭转弹簧的性质,建立了通过多步加载进行梁中开闭裂纹参数及其上下侧属性的识别方法。最后,通过数值算例验证了本文所建立的开闭裂纹损伤识别方法的适用性和可靠性,考察了裂纹分布位置、深度和初始张开角以及裂纹识别区间和挠度测量误差等参数对识别结果的影响,结果表明:当裂纹处于张开状态时,裂纹处裂纹诱导弦挠度斜率改变量随着施加荷载的增加而增加;当裂纹闭合时,其裂纹诱导弦挠度斜率改变量将保持为常量;裂纹损伤参数的识别误差随测量误差的增加而增加,但整体识别结果具有较高的精度,较好的鲁棒性。