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．     

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．     

基于裂纹附加模态Timoshenko梁的裂纹损伤识别

将梁中横向裂纹等效为无质量扭转弹簧，并忽略其对梁剪切变形的影响，得到的具有任意裂纹数目Timoshenko 梁自振模态的统一显示解析表达式．将裂纹梁的自振模态分为基本模态和裂纹附加模态，利用最小二乘拟合，建立了利用裂纹附加模态函数的梁裂纹损伤识别方法．通过数值模拟开展了简支单裂纹梁以及悬臂和固支双裂纹梁等的裂纹损伤识别，考察了测量误差对损伤识别的影响，数值结果表明本文所提出的裂纹损伤识别方法对裂纹位置的识别精度高于对裂纹损伤程度的识别精度；随着测量误差的增加，裂纹位置及裂纹损伤程度的识别误差增加，但仍在可接受的范围内，故该裂纹损伤识别方法在实际工程中具有一定的应用价值．     

阶梯型截面Timoshenko梁边界支承的线性静力识别方法

研究了阶梯型截面Timoshenko梁边界支承刚度的挠度识别法和挠度-应变识别方法.利用Heaviside函数,得到了任意载荷作用下阶梯型截面Timoshenko梁弯曲变形的解析通解,并利用解析通解中的待定常数给出了梁边界支承刚度的表达式.基于阶梯型截面Timoshenko梁挠度和梁表面轴向应变的测量值,利用最小二乘法,得到确定弯曲通解中待定常数的线性代数方程组,进而分别建立了挠度识别法和挠度-应变识别方法,分析了测量点数目和位置以及梁变截面位置等对两种识别方法误差敏感度的影响,给出了挠度或轴向应变的最佳测量方案.通过数值试验,考察了两种识别方法的可靠性和适用性,结果表明:挠度-应变识别方法对系统测量误差具有较好的鲁棒性,适用于实际工程中梁构件边界支承刚度的识别.     

考虑轴力二阶效应的损伤梁弯曲摄动解

将损伤梁等效为阶梯型变刚度Euler-Bernoulli梁，利用Heaviside广义函数，给出了阶梯型变刚度梁抗弯刚度的统一表达式．在此基础上，考虑轴向压力二阶效应，并以损伤为摄动参数，得到了均布横向载荷作用下，简支损伤梁弯曲挠度的一阶和二阶摄动解析解，并数值分析了摄动解析解的精度和损伤梁的弯曲变形特性，结果表明：随着轴向压力和刚度损伤参数的增加，挠度一阶和二阶摄动解析解误差增加，挠度二阶摄动解析解误差通常小于其一阶摄动解析解误差，且二阶摄动解的误差很小，满足工程应用的精度．同时，损伤梁的挠度和转角分布与完整梁的挠度和转角分布差异较大，在刚度变化位置处损伤梁转角斜率存在突变．这些结果可为轴力作用下Euler-Bernoulli梁损伤识别提供理论支撑．     

基于等效黏性弹簧的黏弹性Timoshenko裂纹梁弯曲解析解

考虑裂纹的缝隙和黏性效应,将梁中横向裂纹等效为黏弹性扭转弹簧,利用广义Delta函数,给出了Laplace变换域内裂纹梁的等效抗弯刚度,得到了具有任意开闭裂纹数目且满足标准线性固体黏弹性本构的Timoshenko梁在时间域内的弯曲变形显式解析通解．在此基础上,通过两个数值算例,分析了时间、梁跨高比和裂纹深度等参数对黏弹性Timoshenko开裂纹梁弯曲变形的影响．结果表明：裂纹黏性对Timoshenko裂纹梁的弯曲具有显著的影响．相比于裂纹的弹性扭转弹簧模型,考虑裂纹黏性效应的黏弹性Timoshenko裂纹梁在裂纹处挠度尖点和转角跳跃现象十分明显．另外,由于横向剪切引起的附加变形,Timoshenko裂纹梁的稳态挠度与Euler-Bernoulli梁挠度的差值为常数,其大小与裂纹模型、梁跨高比或裂纹深度无关,这些结果对梁裂纹无损检测具有指导意义．     

基于均匀荷载面曲率的简支裂纹梁损伤识别

为了采用模态参数对结构裂纹进行定位与定量,基于集中柔度模型,采用无质量的扭转弹簧模拟裂纹,建立简支裂纹梁的振动微分方程。针对现有柔度曲率指标仅能判断裂纹的大致范围,基于线性插值理论,建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系,提出裂纹进一步定位公式,实现裂纹位置的精确定位。针对现有大多数损伤识别方法无法实现裂纹的损伤定量,基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系,理论推导了均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法,基于弹簧串联原理和线刚度思想,首次提出串联等效线刚度模型,建立裂纹深度与均匀荷载面曲率的关系,实现裂纹深度的定量。通过简支裂纹梁数值算例,考虑多裂纹的损伤情况,验证了新方法对裂纹定位与定量的有效性。     

开口裂纹梁振动特性参数分析

开展仿真分析探究梁边界条件、裂纹位置、裂纹程度、梁几何尺寸对开口裂纹矩形梁振动特性的影响．采用等效刚度模型建立裂纹梁结构振动方程，并与试验比较完成验证．预报梁在简支、悬臂、固支三种边界下，在不同位置发生不同程度裂纹损伤时的固有频率．研究发现，裂纹梁固有频率特性与完好无损梁曲率模态相关．裂纹可使固有频率降低，且降低程度随损伤程度增加而愈显著．裂纹位置接近完好梁某阶曲率模态零点（无效位置）/极点时，该阶固有频率受到影响将会减弱/增强．开展悬臂裂纹梁在不同几何尺寸下曲率模态分析．研究发现，曲率模态在裂纹处发生尖角突变现象，且尖角峰值随着损伤程度的增加而增大．裂纹位置接近某阶曲率模态极点/零点时，该阶模态受裂纹影响更显著/不明显．在裂纹相对位置和损伤程度相同时，增加梁长度使裂纹处尖角峰值减小，改变梁宽度不影响曲率模态，增加梁高度可使尖角峰值增加．研究成果可为试验提供基础，为扩建数据库，探索一种在线检测方法，基于实时大数据和人工智能技术开展各项振动参数综合分析，为实现梁裂纹智能识别与定位提供依据．     

基于等效弹簧模型的裂纹Euler-Bernoulli梁弯曲变形分析

考虑裂纹的缝隙效应,研究了开闭裂纹Euler-Bernoulli梁的弯曲变形．首先,将裂纹等效为内部旋转弹簧,利用广义函数,给出了考虑裂纹缝隙影响的Euler-Bernoulli梁的等效抗弯刚度,推导了具有任意数目开闭裂纹梁弯曲变形的显式通解．在此基础上,研究了均布载荷作用下上侧单裂纹简支梁以及裂纹处承受集中力和集中力偶共同作用的固支梁的弯曲变形,分析了梁长细比、裂纹深度和位置以及载荷等对裂纹开闭状态和梁弯曲变形的影响。结果表明：梁挠度分布在裂纹处存在尖点,而转角分布存在跳跃;梁挠度与载荷的响应关系一般为双折线形式,分别对应于裂纹的张开和闭合状态;且裂纹张开时,裂纹梁的柔度随着梁长细比的增加和裂纹深度的减小而减小。这些结果对梁裂纹无损检测具有指导意义．     

考虑界面滑移效应的组合裂纹梁弯曲解析解

将上部子梁的裂纹等效为线性扭转弹簧,考虑组合梁连接面的滑移位移,建立了以组合裂纹梁挠度和滑移位移为基本未知量的组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型．利用Laplace变换及其逆变换,给出了组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型的解析通解．在此基础上,研究了均布载荷作用下简支组合裂纹梁的弯曲变形问题,数值分析了连接面剪切刚度、裂纹深度、数目和位置等参数对组合裂纹梁弯曲变形的影响,结果表明：在裂纹处,组合裂纹梁挠度曲线存在尖点,而横截面转角曲线存在跳跃,且随着裂纹数目和深度的增加,挠度和横截面转角跳跃值增大;随着连接面剪切刚度的增加,挠度和横截面转角减小,并最终趋于定值．并且,随着组合梁跨高比的增加,连接面剪切刚度对梁挠度影响逐渐减弱．     

Bending of Timoshenko beam with effect of crack gap based on equivalent spring model

Considering the effect of crack gap,the bending deformation of the Timoshenko beam with switching cracks is studied.To represent a crack with gap as a nonlinear unidirectional rotational spring,the equivalent flexural rigidity of the cracked beam is derived with the generalized Dirac delta function.A closed-form general solution is obtained for bending of a Timoshenko beam with an arbitrary number of switching cracks.Three examples of bending of the Timoshenko beam are presented.The influence of the beam’s slenderness ratio,the crack’s depth,and the external load on the crack state and bending performances of the cracked beam is analyzed.It is revealed that a cusp exists on the deflection curve,and a jump on the rotation angle curve occurs at a crack location.The relation between the beam’s deflection and load is bilinear,each part corresponding to an open or closed state of crack,respectively.When the crack is open,flexibility of the cracked beam decreases with the increase of the beam’s slenderness ratio and the decrease of the crack depth.The results are useful in identifying non-destructive cracks on a beam.     

Monitoring structural damage of components using an effective modulus approach

This paper describes a novel nondestructive damage detection method that was developed to study the influence of a crack on the dynamic properties of a cantilever beam subjected to bending. Experimental measurements of transfer functions for the cracked cantilever beam revealed a change in the natural frequency with increasing crack length. A finite element model of a cracked element was created to compute the influence of severity and location of damage on the structural stiffness. The proposed model is based on the response of the cracked beam element under a static load. The change in beam deflection as a result of the crack is used to calculate the reduction in the global component stiffness. The reduction of the beam stiffness is then used to determine its dynamic response employing a modal analysis computational model. Euler–Bernoulli and Timoshenko beam theories are used to quantify the elastic stiffness matrix of a finite element. The transfer functions from both theories compare well with the experimental results. The experimental and computational natural frequencies decreased with increasing crack length. Furthermore the Euler–Bernoulli and Timoshenko beam theories resulted in approximately the same decrease in the natural frequency with increasing crack length as experimentally measured.     

Wavelet-based crack identification of bridge beam from operational deflection time history

A new method for crack identification of bridge beam structures under a moving load based on wavelet analysis is presented. Crack is modeled through rotational springs whose compliance is evaluated using linear elastic fracture mechanics. Dynamic behavior of the cracked beam subject to moving load is analyzed using mode superposition. The response obtained at a single measuring point is analyzed using continuous wavelet transform and the location of the cracks is estimated. The locations of the cracks are determined from the sudden changes in the spatial variation of the transform responses. To estimate the relative depth of the cracks, a damage factor is established which relates the size of the cracks to the coefficients of the wavelet transform. The proposed method is validated by both simulation and experiment. Locations of multiple damages can be located accurately, and the results are not sensitive to measurement noise, speed and magnitude of moving load, measuring location, etc.