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.     

含双裂纹圆截面悬臂梁的损伤识别研究

裂纹的萌生和扩展直接影响构件的振动响应,对构件的安全可靠性具有重要影响.本文以圆截面悬臂梁为对象,结合转角模态振型和模态频率等高线,研究了一种双裂纹识别技术.首先,基于应力强度因子和卡氏定理推导了无裂纹梁单元和含裂纹梁单元的刚度矩阵;在此基础上,建立了含裂纹圆截面悬臂梁的有限元动力学方程;然后,结合裂纹对梁转角模态振型和模态频率的影响,提出了双裂纹识别策略.最后,通过算例讨论了双裂纹识别策略的可行性.结果表明,圆截面悬臂梁的模态转角在裂纹位置出现突变,裂纹深度越大转角突变值越大;将识别出的裂纹位置作为已知参数,通过模态频率等高线法,可以准确地识别出双裂纹的深度.     

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.      

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.     

圆筒外壁双边裂纹扭转问题的应力强度因子计算

本文提出了一组应力函数,用边界配置法计算了含外壁双边裂纹的扭转圆筒的扭转刚度和Ⅲ型应力强度因子.当内孔很小时,计算结果与含双边裂纹扭转圆轴的已知解一致.同时,本文给出了不同几何尺寸下圆筒扭转的计算结果.所用力法可以用于含外壁双边裂纹的不同形状简类结构的扭转问题.     

小波分析在圆柱壳结构损伤检测中的应用研究

为了检测出圆柱壳中的裂纹引起的损伤,利用sym4小波,对含裂纹圆柱壳的应变能曲线进行连续小波变换和多分辨分析,从小波系数出现局部模极大值来识别损伤的存在以及裂缝位置。通过分析和计算获得满意结果,表明此方法在圆柱壳结构损伤诊断中具有较高的应用价值。     

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．     

不确定边界条件下悬臂梁裂纹参数识别方法研究

基于Bernoulli-Euler梁振动理论,以等效弹簧来模拟裂纹引起的局部软化效应和由非完全固支边界条件引起的转角效应。推导了悬臂梁在不确定边界条件下确定其振动频率的特征方程,直接利用该特征方程,提出一种有效估计裂纹参数的优化方法,通过计算测量频率和理论频率之间的误差目标函数最小化即可识别裂纹参数-裂纹位置和深度。最后,应用两个实例-理想固支边界条件下和非完全固支边界条件下的悬臂梁实验来说明本文方法的有效性。实验结果表明:只需梁结构前三阶频率即可识别裂纹位置和深度。对于理想边界条件下的裂纹参数识别,在测量频率存在小误差情况下,该方法仍能给出比较满意的结果,对于非完全固支边界条件下的裂纹参数识别,利用本文方法能得到比Narkis的方法更精确的裂纹位置识别结果。同时本文方法还能给出比较满意的裂纹深度识别结果。     

含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应求解方法

薄壁圆柱壳流体冲击振动响应是一个复杂的流固耦合(FSI)动力学问题,对于薄壳状态监测与缺陷识别具有重要意义。基于Flügge壳体应力理论,得到壳体运动的高阶偏微分方程组(PDE),利用波传播方法获得圆柱壳系统振动响应。将壳体周围流体定义为理想声学介质,通过亥姆霍兹方程描述声压场,得到流固耦合条件下的薄壁圆柱壳受迫振动响应演变规律。针对薄壳裂纹损伤识别问题,基于断裂力学理论建立局部柔度矩阵,结合呼吸型线弹簧模型(LSM),构造裂纹附近应力及位移连续条件,获得含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应,进而给出一种基于振动能量流的裂纹损伤识别方法。研究结果表明：充液圆柱壳耦合系统在非线性激励下,位移响应在沿轴向、周向和径向的传播特性差异明显;裂纹的存在会导致结构局部柔度的降低和耦合系统固有频率下降;归一化输入功率流能够有效地对充液圆柱壳耦合系统进行结构裂纹损伤识别。研究结果可为充液薄壳振动响应方面的研究提供有益参考,也可为流固耦合条件下的结构裂纹损伤识别方面提供技术支持。     

一种用于计算含裂纹旋转壳动态特性的模型

本文用“含裂纹单元”模型（在垂直于裂纹面方向的单元尺度为零），求解含裂纹旋转壳的振动问题。同时给出了相应结构的实验数据，数值计算的结果和实验分析的结果具有很好的一致性。     

稳态循环应力下结构断裂可靠性设计方法

对含初始缺陷（宏观裂纹）结构进行无限寿命断裂可靠性设计，给出了疲劳裂纹扩展应力强度因子的二维概率密度函数及其门槛值分布函数公式，通过应力强度因子，门槛值干涉模型可求得裂纹不扩展的可靠度和指定可靠度下不扩展裂纹的最大尺寸，并确定含裂纹构件的检修周期。     

砼开裂模拟的综合单元方法

本文对砼结构的开裂提出了一种新的模拟方法。该方法用裂缝体单元表示砼结构的裂缝,通过对开裂单元进行协调聚缩,使砼的开裂单元和未开裂单元能够在一起进行整体组装,从而可对砼结构的裂缝扩展进行自动追踪分析。本文方法同时具有离散裂缝模式和分布裂缝模式的优点。     

A simple method for crack growth in mixed mode with X-FEM

In this paper, a new method for level set update is proposed, in the context of crack propagation modeling with the extended finite element method (X-FEM) and level sets. Compared with the existing methods, such as the resolution of the Hamilton–Jacobi equations, this new method is much simpler because it does not required complex manipulations of the level sets. This method, called the “projection” method, uses both a classical discretization of the surface of the crack (segments for 2d cracks and triangles for 3d cracks) and a level set representation of the crack. This discretization is updated with respect to the position of the new crack front. Then the level sets are re-computed using the true distance to the new crack, by an orthogonal projection of each node of the structure onto the new crack surface. Then, numerical illustrations are given on 2d and 3d academic examples. Finally, three illustrations are given on 3d industrial applications.     

多层材料结构的界面裂纹尖端复应力强度因子

本文建立了一种多层材料复合结构的界面裂纹问题分析模型。当两种材料之间插入第三种薄层弹性材料,裂纹位于第三种材料与第一或第二种弹性材料的界面上,且插页材料3~#的厚度相对于裂纹尺寸或平面内其他尺寸很小时,可以得到该问题裂纹尖端的复应力强度因子通式。本文用有限元法对结果进行了数值验证,并进行了有关问题的讨论。     

Crack arrest in elastic sheets

The analysis of the motion of a crack of finite length extending in an infinite isotropic elastic sheet loaded in the extensional mode forms the basis for the treatment of the motion and the arrest of a brittle crack in a more general two-dimensional structure of finite size. The energy flow to the cracktip is expressed in terms of the value of the static J-integral times a dynamic function depending on the instantaneous crack-tip velocity. This energy flow is equal to the fracture energy which is supposed to be a specific function only of the crack-tip velocity for a given material. If the energy release (calculated as described) becomes less than the fracture energy in some segment along the prospective fracture path, then additional energy will be needed for the crack to be propagated. Such additional energy is available owing to the kinetic state of the structure. An upper limit to the amount of additional energy is determined. A conservative crack-arrest condition is given by the assumption that all this additional energy is consumed in a continued slow extension of the crack. Experimental results for edge-cracked sheets of polymethylmethacrylate conform well with the crack-arrest condition suggested.     

扩展边界元法分析切口和裂纹结构应力场的准确性

在线弹性理论中,切口/裂纹结构尖端区域存在奇异应力场,数值方法不易求解.论文建立的扩展边界元法(XBEM)对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离r的渐近级数展开式表达,其级数项的幅值系数作为基本未知量,而外部区域采用常规边界元法离散方程.两者方程联立求解可获得切口和裂纹结构完整的位移和应力场.扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般的切口和裂纹结构应力场分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的应力场.作者研制了扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明扩展边界元法求解切口和裂纹结构应力场的准确性和有效性.     

基于能量释放率的界面断裂实验分析方法

基于对断裂力学常用实验方法的研究,结合界面断裂问题的特殊性,以断裂力学为理论基础,通过能量释放率建立了界面断裂测量的实验分析方法,并且利用文献中的实验数据进行了验证,取得了良好的一致性.该方法通过测量试验件的载荷位移关系,利用裂纹扩展过程中的能量变化关系得到该裂纹长度下的临界能量释放率;在此基础上,根据试件的阻抗能量曲线预测结构的最大承载能力.该方法以能量释放率为理论基础,为界面裂纹的强度分析提供了合理的手段,基于能量角度建立的实验分析方法也具有良好的实用性和适用性.     

New type of dual bem and Green's-function-library strategy for fracture analysis in complex structures

A new type of dual boundary integral equations (DBIE) is presented first, through which, a smaller system of equations needs to be solved in fracture analysis. Then a non-conforming crack tip element in two-dimensional problems is proposed. The exact formula for the hypersingular integral over the non-conforming crack tip element is given next. By virtue of Green's-function-library strategy, a series of stress intensity factors (SIF) of different crack orientations, locations and/or sizes in a complicated structure can be obtained easily and efficiently. Finally, several examples of fracture analysis in two dimensions are given to demonstrate the accuracy and efficiency of the method proposed. Partially supported by the Aeronautical Science Foundation of China (No. 99C53026)     

AN EXPERIMENTAL METHOD BASED ON ENERGY RELEASE RATE OF INTERFACIAL FRACTURE

基于对断裂力学常用实验方法的研究,结合界面断裂问题的特殊性,以断裂力学为理论基础,通过能量释放率建立了界面断裂测量的实验分析方法,并且利用文献中的实验数据进行了验证,取得了良好的一致性.该方法通过测量试验件的载荷位移关系,利用裂纹扩展过程中的能量变化关系得到该裂纹长度下的临界能量释放率;在此基础上,根据试件的阻抗能量曲线预测结构的最大承载能力.该方法以能量释放率为理论基础,为界面裂纹的强度分析提供了合理的手段,基于能量角度建立的实验分析方法也具有良好的实用性和适用性.     

改进的虚裂纹闭合技术及其在复合材料脱层分析中的应用

提出一种改进的虚裂纹闭合技术（ＶＣＣＴ）对轮胎带束（一咱复合材料结构）不同脱层长度下的应变能释放率进行了计算。将强度裂纹闭合的位移作了一种可变约束施加在变形后的裂纹尖端,约束反力作了裂纹尖端力计算,应变能释放率由裂纹尖端力和约束位移的乘积得到。该方法的优点是简便易行,在物理理解上直观,实施起来方便。本文就用该技术对带束脱层进行了断裂力学分析,给出数值结果,并对带束的脱层寿命进行了评价。