文档介绍：西北工业大学
硕士学位论文
基于改进的小损伤模型的复合材料容器结构的损伤检测
姓名:韩莉
申请学位级别:硕士
专业:一般力学与力学基础
指导教师:闫云聚
20050301
摘要
本文研究了含裂纹小损伤复合材料容器结构的在线初期损伤检
测。复合材料容器结构的在线损伤检测可以通过粘贴在结构表面的
压电智能材料和基于振动分析基础上的信号处理来完成。
以结构损伤振动检测的实际需要为出发点,提出了一种改进的小
损伤结构的动力学建模方法,研究了结构局部小损伤及其位
置与所在处单元刚度矩阵变化的数量关系。这种方法的第一步是修
正单位刚度矩阵的系数来使得用直接裂纹建模和改进的建模方法计
算得到一致的固有频率。第二步是验证这两种建模方法得到的频响
函数的一致性。
针对完好结构和损伤结构情况这两种状态,通过仿真计算,得到
结构的动力学响应信号,用小波分析分解动力响应信号得到各个频
段的一系列子信号,并求出子信号的能量谱,最后得到损伤前后的
能量谱变化量。然后,将前面所求出的能量谱变化量作为人工神经
网络的输入,经过训练的神经网络可以识别裂纹损伤的位置及尺寸。
结果表明,改进的建模方法和直接裂纹损伤建模的方法具有很好
的一致性。将小波变化得到的动力响应的能量谱作为损伤检测的特
征量,具有很好的灵敏度,能检测到复合材料容器中非常细小的裂
纹。
关键词复合材料容器,改进的建模方法,修正单元刚度系数,裂纹
损伤检测,小波变换,神经网络
聆封亥
第一章序言
结构损伤检测的研究背景
结构损伤检测这一概念的提出和发展,首先来自于动态结构的
故障诊断川,它是在世纪年代初期,由于航天、军工的需要而
发展起来的,之后又扩展到其他的领域。静态工程结构一般都比较
复杂,受到的载荷和环境激励都具有随机性,所以工程的诊断比较
复杂,其故障诊断也就比较困难,需要采用某些特殊的技术和诊断
方法。
结构工程中常常存在着表面缺陷或破损如梁板裂缝、钢结构
开焊等。这些都是可以看见的破损和缺陷可以及时诊断并采取措
施加以修复和维修。但是肉眼所不可见的潜在缺陷有时更具危险性
例如汽车、飞机、桥梁或者是建筑等等,在一段时间的使用寿命后
由于动载荷、材料的老化、化学腐蚀等因素而导致疲劳失效,使得
结构局部出现了微小损伤,并且在不断累积和扩展中,这种细微损
伤的发生和扩展将严重影响结构的刚度特性和结构阻尼导致结构
整体结构局部以及整体刚度机械性能下降,降低结构的安全使用寿
命,需要维修或更换部件,常常造成较大的经济损失。所以及时的
损伤检测和故障诊断,特别是早期小损伤的检测,不仅可以避免灾
难性事故发生,而且可以进行及时维修,节省因结构的老化、疲劳
和腐蚀而需要的高额维修费。因此如何能通过一定的监测手段分
析判断结构早期的尽可能小的损伤以及缺陷的定位等就成为当前
第一章序言
结构损伤检测的研究背景
结构损伤检测这一概念的提出和发展,首先来自于动态结构的
故障诊断川,它是在世纪年代初期,由于航天、军工的需要而
发展起来的,之后又扩展到其他的领域。静态工程结构一般都比较
复杂,受到的载荷和环境激励都具有随机性,所以工程的诊断比较
复杂,其故障诊断也就比较困难,需要采用某些特殊的技术和诊断
方法。
结构工程中常常存在着表面缺陷或破损如梁板裂缝、钢结构
开焊等。这些都是可以看见的破损和缺陷可以及时诊断并采取措
施加以修复和维修。但是肉眼所不可见的潜在缺陷有时更具危险性
例如汽车、飞机、桥梁或者是建筑等等,在一段时间的使用寿命后
由于动载荷、材料的老化、化学腐蚀等因素而导致疲劳失效,使得
结构局部出现了微小损伤,并且在不断累积和扩展中,这种细微损
伤的发生和扩展将严重影响结构的刚度特性和结构阻尼导致结构
整体结构局部以及整体刚度机械性能下降,降低结构的安全使用寿
命,需要维修或更换部件,常常造成较大的经济损失。所以及时的
损伤检测和故障诊断,特别是早期小损伤的检测,不仅可以避免灾
难性事故发生,而且可以进行及时维修,节省因结构的老化、疲劳
和腐蚀而需要的高额维修费。因此如何能通过一定的监测手段分
析判断结构早期的尽可能小的损伤以及缺陷的定位等就成为当前
研究的一个热点。
早在上个世纪年代,人们为了寻找解决大型结构早期损伤识
别问题,进行了许许多多的研究工作,出现了很多种方法【。在实际
情况下,进行在线结构损伤检测不应导致结构的破坏或是影响结构
正常的工作状况。尽管在无损检测技术方面己经有了很大的改进,
如超声波、射线、扫描以及各种电测方法,这类技术在建筑、