用频率识别平面刚架结构裂纹的遗传算法

给出含单个裂纹结构的动力有限元方程,根据结构前５阶频率的变化,来识别裂纹的位置和深度。将识别转化为多峰值的全局优化问题,给出跗算法解法此识别的运算步骤。以结构含单一裂纹的两处算例,作裂纹识别的数值试验,计算结果表明此方法是可行的,对裂纹参数的识别有较好的精神和可靠性。     

含裂纹梁参数的谐响应识别

主要研究含裂纹梁在简谐激励作用下的动力特性,提出一种依据幅值变化对裂纹参数进行识别的新方法。首先,在振动过程中考虑裂纹的呼吸特性,以悬臂梁为例建立含裂纹梁的二维有限元模型,指出在一般激励频率下,其对应的幅值均是明显信号,可用来描述裂纹梁的动力特性。其次,当激励频率分别取无裂纹梁一阶频率的1/4和二阶频率的1/4时,幅值随裂纹参数的变化明显不同,可依据响应幅值的变化对裂纹参数进行识别。然后,利用曲面拟合技术绘出幅值变化曲面,对未知参数的裂纹进行识别,验证了该方法的有效性,并归纳出利用幅值变化对任意裂纹参数进行识别的基本步骤。最后,针对无裂纹梁频率计算可能存在误差的情况,分析识别方法的鲁棒性,结果显示即使最大误差为10%,该方法也能对裂纹参数进行准确识别。     

含裂纹弹性结构对声散射作用研究

研究了含裂纹的弹性结构对声的散射作用,应用分配形有限元和边界元相结合的方法于含裂纹的结构声相互作用问题,利用二级分形有限元方法对含裂纹结构进行离散,这将使得自由度大为减少;使用边界元方法计算外域散射声场,这将自动满足无限远辐射边界条件,数值结果初步表明：(1)随着裂纹深度的增加,结构声耦合系统的共振频率将下降;(2)裂纹附近的声场所受的影响更为明显。     

基于混凝土裂纹数字图像的有限元网格生成

通过结合数字图像处理技术、边界矢量化技术与有限元网格自动生成技术,提出了基于数字图像的混凝土构件裂纹有限元分析方法。本文以混凝土裂纹为研究对象,先采用Canny算子提取裂纹边缘,对中断的边缘和伪边缘利用顺序边缘连接算法进行连接和剔除;然后,通过矢量化技术将裂纹边界拟合成小线段;最后在矢量化边界的基础上,利用自动生成技术生成裂纹结构的有限元网格,实现对裂纹区域受力情况的分析。实验结果表明:本文提出的方法可实现混凝土结构裂纹的图像监测与力学分析的一体化,能够大幅提高现役结构的评估速度和效率。     

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

辛奇异元方法与含裂纹结构加固问题分析

本文借助于辛体系本征解展开原理和辛共轭正交关系,提出一种辛奇异元模型.并结合有限元软件形成一种新的数值方法和对含裂纹结构分析思路.其最大优势在于:直接给出裂纹的应力强度因子;不受单元网格密度的局限;不受路径的影响.利用该奇异元对含裂纹结构加固问题进行分析,发现了一些特殊的规律.为含裂纹结构加固技术提供依据.     

辅助质量块—单裂纹悬臂梁耦合系统固有频率的理论研究及其应用

论文研究了辅助质量块—单裂纹悬臂梁耦合系统的固有频率,用无缺陷悬臂梁固有振型叠加一个多项式来近似拟合含单裂纹悬臂梁的振型,由动力学方法推导了辅助质量块—单裂纹悬臂梁系统的固有频率方程的解析形式,系统频率随着质量块在梁上位置改变而改变,即可得到固有频率曲线,此频率曲线包含了缺陷信息,因此可对固有频率曲线进行平稳小波变换来识别梁上的缺陷.同时用有限元计算结果对上述固有频率理论推导进行验证,有限元结果与论文理论推导结果相一致.最后论文数值计算了质量块大小、缺陷深度、位置等因素对系统固有频率的影响,也探讨了平稳小波变换用于识别损伤,结果验证了该理论推导的可靠性和损伤识别的准确性.     

二维含裂纹结构与声耦合问题研究

应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题.采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件.数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.     

条形平板中裂纹识别的遗传算法

研究条形平板中平行于上下边界的单一裂纹的识别问题。给出了当一声波入射这一条形平板时，裂纹参数与反射、透射系数之间的关系式，并应用遗传算法对裂纹进行了定量识别。计算结果表明本文给出的方法具有较好的识别精度。     

基于SBFEM和深度学习的裂纹状缺陷反演模型

结构内部缺陷的识别是结构健康监测的重要研究内容, 而当前以无损检测为主的结构安全检测多以定性分析为主, 定量识别缺陷的尺度较困难. 本文将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和深度学习相结合, 提出了基于Lamb波在结构中传播时的反馈信号定量识别结构内部裂纹状缺陷的反演模型. 通过随机生成缺陷信息(位置、大小), 采用SBFEM模拟Lamb波在含不同缺陷信息的结构中的信号传播过程, SBFEM仅需对结构边界离散可最小化网格重划分过程, 大大提高了计算效率. Lamb波在含裂纹状缺陷结构中传播时观测点的反馈信号包含大量的裂纹信息, 基于这一特性可为深度学习模型提供足够多的反映问题特性的训练数据. 建议的缺陷反演模型规避了传统反分析问题的目标函数极小化迭代过程, 在保证计算精度的前提下大大减少了计算成本. 对含单裂纹和多裂纹板的数值算例进行分析, 结果表明: 建立的缺陷识别模型能够准确地量化结构内部的缺陷, 对浅表裂纹亦有很好的识别效果, 且对于含噪信号模型仍具有较好的鲁棒性.      

小波分析在悬臂梁裂纹识别中的应用

基于空间信号的小波分析理论,将含裂纹悬臂梁前四阶振型信息直接用于小波变换,小波系数在空间域上的突变反映了裂纹的存在并指出了裂纹的位置.本文分析了前四阶振型对小波识别结果的敏感性,利用小波系数模极大值在尺度上的表现与Lipschitz指数之闻的关系建立了集中因子和裂纹深度之间的关系,以此来估计裂纹深度.鉴于实测信号往往是含噪声信号,分析了噪声对识别结果的影响规律.数值算例表明利用sym4小波对含裂纹梁的四阶振型信息进行小波分析可以准确地识别出裂纹的位置和深度;高阶振型对结构损伤较为敏感,高阶振型更适合于微裂纹和含噪声信息的处理,但高阶振型的非线性也会给裂纹识别带来一定的困难.使用本文方法进行结构裂纹参数识别,噪声对裂纹位置的影响只是指示清晰度的影响,基本不会产生错误的识别,而对裂纹深度的影响远比对位置的影响复杂,由于小波系数混入了噪声成分,从而增加了集中因子的取值,致使识别结果总是比真实结果偏大.     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难.近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性.本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法.结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域.包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模.本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域.耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量.分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率.该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.     

模拟裂纹扩展的一种有限元局部动态子划分方法

提出了一种有限元子划分结合子结构的方法来模拟裂纹扩展问题。提出的方法中,将单元分为三类:被裂纹贯穿的单元,包含裂尖的单元和常规单元。对前两类单元进行子划分,每个单元的归类随裂纹的扩展而动态变化。覆盖一条裂纹的前两类单元子划分后构成一个子结构,子结构也是动态的,跟随裂纹的扩展而逐步扩大。本文的方法可以使裂纹沿任意路径扩展而不受初始网格的限制,裂纹扩展后无需对结构整体的网格重划分,结构整体分析的总自由度也不变。用该方法计算无限大平面中心裂纹的应力强度因子,模拟三点弯梁跨中裂纹的扩展,验证了计算精度,并进一步用该方法模拟了非均质材料中裂纹的扩展,考核了对复杂裂纹扩展问题的适用性。     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

一种裂纹扩展的有限元仿真分析方法及其实现

为分析含多裂纹体在任意载荷下的断裂过程问题,给出了一种基于有限元的仿真方法及程序.基于商业有限元软件的应力分析结果和合适的断裂力学准则,判断裂纹的扩展以及扩展角;通过对每一个裂纹尖端扩展影响区域进行单元重划分,实现了多裂纹任意扩展的几何描述有限元模型更新.由于只对裂纹扩展区局部进行有限单元更新,网格划分和前期网格结果到新网格的映射的工作量相对较小,典型的裂纹扩展分析实例表明本文方法和程序的有效性.     

基于神经网络对扁壳结构载荷位置识别问题的研究

在建立扁壳结构识别问题的力学模型基础上,运用神经网络方法构造了三层结构的神经网络,并以此对扁壳在集中力作用下的载荷位置的识别问题进行了研究,结果表明,采用有限元方法获取基本样本,运用神经网络方法对扁壳结构载荷位置的识别具有较好的效果。     

空间结构细部全复合型裂纹构件的数值分析

本文提出了带缺陷的空间板结构的应力强度因子计算方法和有限元程序,适合于空间板、壳结构细部含裂纹构件的断裂分析,包括单一的和全复合型的断裂特性问题。若干计算例子表明:本方法所需单元少且有满意的工程精度。本文最后对油船底部三个带裂纹的基本结构单元二十四种载荷工况进行了分析计算,并得到若干有益的结论。     

含多源损伤的胶接修补结构有限元分析方法

采用有限元法研究含多源损伤结构的胶接修补问题,利用二维三层有限元模型对损伤区进行了数值模拟,并选取典型多源损伤情况中含共线双裂纹铝板结构为算例,详细分析了含多裂纹胶接修补结构中两裂纹相对位置、补片尺寸、铺层和厚度对应力强度因子的影响.结果表明,复合材料胶接修补可明显降低含共线双裂纹母板的应力强度因子;对于确定的裂纹和应力场,应对复合材料补片长度和厚度等参数进行优化设计,以获得最佳的修补效果.     

裂纹扩展独立于网格的一种有限元单元子划分方法

提出了一种有限元模拟裂纹扩展的单元子划分结合子结构的方法。本方法中,裂纹可以进入或穿过一个单元,或沿单元的边界扩展,因此裂纹可以沿任意路径扩展而不受初始网格的限制。对上述几类包含裂纹的单元按照裂纹的路径进行子划分,覆盖一条裂纹的所有子划分单元就组成了一个子结构,子结构规模随裂纹的扩展而增大。子结构中因单元子划分而新增的结点自由度,通过自由度的凝聚用初始网格结点的自由度表示,因此结构整体分析的总自由度不变。以上述方法为基础建立了裂纹萌生和扩展的准则。用本文的方法分析了单（双）材料无限大平面中心（界面）裂纹的裂尖场,验证了本文方法的精度,并模拟了颗粒复合材料中微裂纹在颗粒、基体和界面中逐步扩展的过程,考核了本文方法对复杂裂纹扩展问题模拟的适用性。     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.