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．     

变质量密度简支梁横向振动的模态局部化

结构动力学领域的模态局部化现象最早由Hodges发现，主要发生在周期结构中．例如螺旋桨之类的循环对称结构、连续梁以及通信天线等大型空间桁架结构。发生摸态局部化现象时．振动能量集中于结构局部，容易造成结构破坏。实际上．模态局部化现象已经造成了一些损害．特别是在航宅航天领域。目前研究模态局部化现象时主要采用简单模型，例如周期分布的弹簧质量系统、均匀连续粱，O．O．Bendiksen研究了密度周期分布杆的纵向和扭转振动，求解了该问题的控制方程Mauthieu方程。本文基于Floquet解用Fourier级数法求解了变质量密度简支梁的横向振动问题，得到了固有频率和模态、并观察到了固有频率分组现象和模态局部化现象。求解特征值问题的过程中应用了连分式技术，有效的提高了计算精度。     

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。     

基于曲率模态和小波奇异性的结构损伤识别

传统的傅立叶变换适合确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有在时域和频域局部放大的性质,在工程中获得广泛应用.由于曲率模态具有较高的灵敏度,仅仅需要较低阶的模态信息就可获得很好的识别效果.本文据此提出了采用损伤前后曲率模态残差小波变换系数方法对结构损伤进行识别,通过该小波变换系数的分布情况来确定结构的损伤指标.为验证该方法的有效性,通过选用具有线性相位的双正交样条小波,对一梁结构进行了数值模拟.结果表明,采用该方法不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置.     

基于卡车加载和差分曲率的简支梁桥预警新指标

差分曲率指标在实际用于损伤识别时受到加载方式的限制.为此,首先采用了一种卡车加载方式,通过两次卡车加载可实现集中载荷的工况,并对简支梁桥建立起了相应的损伤识别方法,提出了新的"卡车载荷差分曲率指标(truck load difference curvature indicator,TLDCI)".基于实测的竖向位移数据得到的TLDCI图形可识别损伤的出现和位置信息,从而实现简支梁桥的状态预警.TLDCI方法的计算简单而且不需要与结构完好状态下的数据进行对比.所提出方法的有效性通过算例得到了证明,并最后讨论了提高其稳定性的措施.     

基于模态柔度曲率的砖石古塔损伤识别研究

损伤识别是结构性能评估的有效途径之一,砖石古塔的模态柔度曲率是进行损伤识别的有效参数之一。为研究古塔结构损伤机制与模态柔度曲率的关系,依据兴教寺窥基塔结构模型振动台试验及数值模拟结果,分析周期性荷载作用下塔体动力响应及破坏特征,建立了塔体损伤程度与模态参数的关系模型。结果表明,古塔结构开裂破坏后,刚度减小,模态柔度曲率增大;数值计算与试验测试所得加速度及频域响应规律一致,塔体模型结构试件的开裂损伤随加载工况增多而持续累积,加载前期损伤参数变化缓慢,而后保持稳定,试验及模拟所得塔体的破坏过程一致。因此,塔体模态柔度曲率变化与古塔结构损伤累积具有一致性,可用于有效可靠识别砖石古塔结构损伤识别。     

局部损伤梁动力问题的近似计算方法

应用模态摄动法求解局部损伤梁动力特性。这一方法是在无损伤梁的模态子空间内实施,将含局部损伤梁的微分方程的求解转化为代数方程求解。通过算例,表明这一方法可有效的简化计算,同时计算结果具有较高的精度。     

脆性损伤材料裂纹尖端的局部解

本文利用Mazars和Lemaitre提出的混凝土脆性损伤模型,求得了裂纹尖端应力、应变及损伤的局部解.对手Ⅲ型及不可压缩平面应变Ⅰ型裂纹,其尖端场的构造和理想塑性材料相类似.指出由于丧失了应力全连续条件,从而损伤边界不能由局部解定出.     

裂尖曲率对裂纹前缘塑性区的影响

考虑尖端为圆弧形的钝头裂纹模型，在外围取线弹性无裂纹体的解，应用线场分析方法。形成一套估计钝头裂纹前缘塑性区尺寸的方法。对含径向裂纹和圆弧形裂尖的圆盘受均匀张力作用情况，给出了塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率的关系。得到的结论是，塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率有关；对于给定的塑性区的裂纹前缘尺寸，载荷反比于外缘尺寸的平方。前一结论说明了塑性区的裂前尺寸作为裂纹失稳扩展判断的局限性；后一结论说明了裂纹体强度失效的尺寸效应规律：抗断强度与总体线尺寸的平方成反比。     

曲率模态及其在桁架桥梁损伤识别中应用

当前桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注,对桥梁结构进行状态监测和安全评估成为众多学者的研究课题。在目前所采用的各种方法中,模态分析法的应用最为广泛,通过监测桥梁的模态参数即可获得其状态信息。通常在模态分析中所采用的参数如：固有频率、振型等参数,反映的都是结构的整体特性,难以用来确定故障位置,只有利用能够表征结构局部特性信息的模态参数曲率模态的变化,才能完成桥梁状态监测工作。本文以1：10钢桁架桥梁模型为研究对象,用有限元模型及实验模型进行局部损伤的识别,实验采用锤击法及变时基(VTB)技术对桥梁模型进行了模态分析。识别表明,通过曲率模态的变化可明显识别结构的损伤部位,取得了很好的识别效果。为今后桥梁结构损伤识别提供了一种可行的研究方法。     

FREE VIBRATION ANALYSIS OF SIMPLY SUPPORTED BEAM WITH BREATHING CRACK USING PERTURBATION METHOD

In this paper, a new analytical method for vibration analysis of a cracked simply supported beam is investigated. By considering a nonlinear model for the fatigue crack, the governing equation of motion of the cracked beam is solved using perturbation method. The solution of the governing equation reveals the superhaxmonics of the fundamental frequency due to the nonlinear effects in the dynamic response of the cracked beam. Furthermore, considering such a solution, an explicit expression is also derived for the system damping changes due to the changes in the crack parameters, geometric dimensions and mechanical properties of the cracked beam. The results show that an increase in the crack severity and approaching the crack location to the middle of the beam increase the system damping. In order to validate the results, changes in the fundamental frequency ratios against the fatigue crack severities are compared with those of experimental results available in the literature. Also, a comparison is made between the free response of the cracked beam with a given crack depth and location obtained by the proposed analytical solution and that of the numerical method. The results of the proposed method agree with the experimental and numerical results.     

求解非比例阻尼体系复模态的实模态摄动法

根据工程结构的实际情况,建立了非比例阻尼结构体系复模态特性的近似求解方 法------实模态摄动法. 这一方法以复Ritz向量展开原理为基础, 把非比例阻尼结构体系复模态特性的分析过程分解为两个基本步骤,首先以结构体系的实模 态向量构建复Ritz向量的求解子空间,然后通过非线性复代数方程组的求解代替扩阶后的复 特征值方程的求解,从而简化了计算过程.通过两个算例表明: 这一方法不仅计算简便,而且具有较高的计算精度和执行效率, 对于复杂的非比例阻尼系统是很适用的,具有一定的工程应用价值.     

双机头电脑刺绣机横梁的模态分析

以GY902A型电脑刺绣机的主横梁作为研究对象,分别运用实验测试和有限元模拟方法分析了电脑刺绣机横梁弯曲振动的固有频率,并利用经过验证的有限元模型,在计算机上作了结构改进仿真设计,实现了在不改变电脑刺绣机重量的前提下,电脑刺绣机横梁的固有频率提高22％,使电脑刺绣机更不易发生共振．     

A NEW APPROACH TO FREE VIBRATION ANALYSIS OF A BEAM WITH A BREATHING CRACK BASED ON MECHANICAL ENERGY BALANCE METHOD

In this paper, a new approach to free vibration analysis of a cracked cantilever beam is proposed. By considering the effect of opening and closing the crack during the beam vibration, it is modeled as a fatigue crack. Also, local stiffness changes at the crack location are considered to be a nonlinear amplitude-dependent function and it is assumed that during one half a cycle, the frequencies and mode shapes of the beam vary continuously with time. In addition, by using the experimental tests, it is shown that the local stiffness at the crack location varies continuously between the two extreme values corresponding to the fully closed and the fully open cases of the crack. Then, by using the mechanical energy balance the dynamic response of the cracked beam is obtained at every time instant. The results show that for a specific crack depth, by approaching the crack location to the fixed end of the beam, more reduction in the fundamental frequency occurs. Furthermore, for a specific crack location, the fundamental frequency diminishes and the nonlinearity of the system increases by increasing the crack depth. In order to validate the results, the variations of the fundamental frequency ratio against the crack location are compared with experimental results.     

功能梯度变曲率曲梁的几何非线性模型及其数值解

基于弹性曲梁平面问题的精确几何非线性理论,建立了功能梯度变曲率曲梁在机械和热载荷共同作用下的无量纲控制方程和边界条件,其中基本未知量均被表示为变形前的轴线坐标的函数.以椭圆弧曲梁为例,采用打靶法求解非线性常微分方程的两点边值问题,获得了两端固定功能梯度椭圆弧曲梁在横向非均匀升温下的热弯曲变形数值解,分析了材料梯度指数、温度参数、结构几何参数等对曲梁受力及变形的影响.     

CRACK IDENTIFICATION IN STEPPED CANTILEVER BEAM COMBINING WAVELET ANALYSIS WITH TRANSFORM MATRIX

This paper illustrates the crack identification method combining wavelet analysis with transform matrix. Firstly, the fundamental vibration mode was applied to wavelet analysis. The crack location was found by the peaks of the wavelet coefficients. Secondly, based on the identified crack locations, a simple transform matrix method requiring only the first two tested natural frequencies was used to further identify the crack depth. The present method can be used for crack identification in a complex structure. Numerical results of crack identification of a stepped cantilever beam show that the suggested method is feasible.     

含环向表面裂纹圆柱壳的波传播特性研究

研究了振动波在含有环向表面裂纹的无限长圆柱壳中的传播特性.圆柱壳体的振动用Flügge方程来描述.运用线弹性断裂力学的理论,考虑到裂纹的张开、滑移和撕裂3种模式以及它们相互之间的耦合,利用分布的线弹簧来模拟裂纹并建立了裂纹所在区域的局部柔度矩阵,得到由此引起的附加位移和壳体中内力之间的关系.在入射波已知的情况下,根据裂纹两侧区域的位移和内力的连续性条件得到了反射和透射波的幅值系数.分析了入射波通过裂纹后的透射、反射系数与激励频率和裂纹尺寸之间的关系.为基于振动功率流方法识别圆柱壳表面损伤提供了理论基础.     

含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

采用动态焦散线方法，对含偏置裂纹三点弯曲梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了一系列动态断裂力学实验研究，分析了无量纲量ａ／ｌ的改变（ａ——初始裂纹偏离梁中心线的距离；ｌ——梁长度的一半）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的复合应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用以及应力波传播规律进行探讨．给出了裂纹尖端复合应力强度因子、裂纹扩展速度的变化、裂纹曲裂轨迹以及方向与梁中应力波传播的相互关系     

THE STABILITY OF AN AXIALLY ACCELERATING BEAM ON SIMPLE SUPPORTS WITH TORSION SPRINGS

The axially moving beams on simple supports with torsion springs are studied. The general modal functions of the axially moving beam with constant speed have been obtained from the supporting conditions. The contribution of the spring stiffness to the natural frequencies has been numerically investigated. Transverse stability is also studied for axially moving beams on simple supports with torsion springs. The method of multiple scales is applied to the partialdifferential equation governing the transverse parametric vibration. The stability boundary is derived from the solvability condition. Instability occurs if the axial speed fluctuation frequency is close to the sum of any two natural frequencies or is two fold natural frequency of the unperturbed system. It can be concluded that the spring stiffness makes both the natural frequencies and the instability regions smaller in the axial speed fluctuation frequency-amplitude plane for given mean axial speed and bending stiffness of the beam.     

用有限积分计算曲率复杂分布下的结构挠度

有限积分法是Brown和Trahair在求解微分方程时采用的数值解法, 其核心环节是已知函数z= z(x)的导函数z′ =z′(x)的某些值的情况下数值分析z的方法. 由曲率φ计算挠度, 实质意义上是由z″计算z的数学问题. 基于有限积分法给出的z与z″之间及z′与z″之间的数值关系, 通过矩阵运算推导得到了挠曲矩阵,通过引入转换式φ= -z″得到了曲率挠度关系式, 讨论了几种常见边界条件下的曲率挠度关系, 提出了曲率复杂分布情况下结构挠度计算的有限积分方法.