裂纹损伤对塔壳结构动态特性的影响研究

基于数值方法研究裂纹损伤对塔式壳体结构动态特性的影响。建立了等截面直立塔壳结构有限元模型,采用刚度下降法模拟不同程度受损单元,计算了无损和不同损伤工况下(耳式支座与塔体角焊缝处环向裂纹损伤),结构的固有振动特性和脉动风载荷作用下结构的动态响应。结果表明:结构振动信号可以反映塔壳结构局部不同程度损伤的影响,裂纹损伤对固有频率影响较小,最大20%损伤对固有频率的减小约为7%~8%;对模态振型影响较大,尤其在高阶(如15阶频率)上可能出现新的振型;对位移响应、动应力影响最为明显。     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

一种不完备测试数据下的结构损伤识别方法

在单元刚度损伤系数和振型扩阶的基础上,建立了单元的损伤控制方程,提出了一种不完备测试自由度下的损伤识别方法。该方法以单元刚度损伤系数作为识别量,通过计算结构损伤前后频率和振型的改变,然后利用控制方程反解出损伤系数,从而确定出结构损伤位置和大小。悬臂梁桁架结构的数值模拟表明,在一定的噪声水平下可以同时成功地识别出的损伤位置和程度,而且对噪声有较强的鲁棒性。     

基于有限测点信息的结构损伤识别柔度法

利用有限测点获得结构的模态参数,提出了基于有限测点的结构损伤识别的柔度法。该方法是通过仅考虑结构柔度的灵敏度分析,以结构各自由度的损伤信息为条件,选择对结构柔度变化敏感的自由度为测点,并利用有限测点的信息提出了结构完备模态振型的重建技术。在此基础上,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,来确定结构单元的损伤因子对结构进行损伤识别。从而实现利用结构有限测点的模态信息来识别结构的损伤,解决了测试结构的模态振型的不完整给结构的损伤诊断带来的困难。通过数值算例说明了该方法的有效性。     

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。     

基于线性多点逼近方法的结构局部非线性损伤识别

结构损伤通常伴随一定的非线性响应特征,当非线性特征较为明显时,单纯的有限元更新方法无法克服本身所固有的非线性特征的限制,在动力特性测试中也存在许多困难.本文研究时域内损伤识别方法,将局部非线性结构损伤等效为一个的附加子结构,基于线性多点逼近方法,将一个非线性损伤识别问题转化为作用于线性模型的载荷识别问题.通过结构非线性响应识别出等效附加力的时间历程,利用附加子结构的输入输出特性识别实际结构的单元损伤特性.在所提出的识别方法理论算法基础上,对单元刚度线性损伤和非线性损伤形式进行了数值模拟,算例显示这种方法的有效性.     

评定砌体结构质量的振动模态检测方法

给出了一种砌体结构质量的振动模态检测方法，只需通过测试给出结构的频率，振型，并参考结构的一些参数，就可得出砌体结构实际的层间刚度和抗压强度，工程应用实例表明，这一方法是可行的，它为砌体结构的质量评估提供了科学的依据。     

灰色系统模型在结构损伤识别中的应用

开发结构健康监测系统是结构损伤识别的一个重要课题。由于建筑结构具有很多不确定因素，通过模态分析识别结构损伤的精度很难保证。本文提出一种灰色系统模型应用于结构损伤识别的方法。建立频率变化率和刚度变化的灰色系统模型，把一阶单变量的灰色模型(M(1，1))作为频率变化率和刚度变化之间的系统，通过一阶单变量的灰色模型(M(1，1))预测来体现结构动力指纹的整体功能，确定频率变化率和刚度变化之间的关系变量。为了验证理论，对多种工况进行了框架结构模型的振动试验并对结果进行了分析。试验结果表明：对于层间剪切结构，通过测量结构频率变化，建立的灰色系统模型可以较准确地确定结构的损伤位置和损伤程度，并使识别精度得到有效提高。     

基于模态振型和平稳小波变换的悬臂梁微小缺陷识别研究

结构损伤识别方法有很多种,通常结构振动模态振型对缺陷的损伤识别较为敏感,振型体现结构的固有属性及结构局部的特征,可以用于检测缺陷的存在及其位置。但是缺陷比较微小时,仅仅通过振型难以进行损伤识别。因此本文通过对振型进行平稳小波变换处理来检测悬臂梁的微小缺陷。通过有限元模态分析获得含不同缺陷深度、不同缺陷宽度、不同缺陷位置的悬臂梁模型的振型并利用平稳小波变换进行分析处理。结果表明:该方法可以准确判断缺陷的存在及其位置,并且平稳小波细节系数突变峰值随着缺陷深度增大而增大,随着缺陷宽度增大而增大;另外,该方法受振型节点影响,在工程实际应用时应综合前几阶次振型进行缺陷识别。     

一种桁架结构损伤识别的柔度阵法

利用试验获得的一阶模态参数,提出了一种桁架结构损伤识别的柔度阵法,应用有限元方法柔度阵,建立结构振动特征方程,结构损伤后,引起柔度阵发生改变,从结构振动特征方程出发,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,可以确定结构物理参数的变化量,识别结构损伤部位及损伤程度,通过一个桁架结构损伤识别的数值模拟证明了该方法的有效性。     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

航空发动机压气机叶片振动频率与温度的关系

以某型航空发动机压气机第六级叶片为例，研究了温度对叶片振动频率的影响。发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降，而弹性模量的下降又导致了叶片在发动机一定的转速范围内，除一阶振动外，其余各阶振动的动频均小于静频，因此与通常的工程处理方法不同，研究压气机叶片的动频时，应考虑温度的影响。     

Assessment of nonlinear seismic performance of a restored historical arch bridge using ambient vibrations

Historic masonry arch bridges are vital components of transportation systems in many countries worldwide, ensuring the ready access of goods and services to millions of people. The structural failure of these historic structures would severely and adversely impact the economies of these nations due to the massive disruptions of transportation systems accompanying such failures. To successfully maintain these aging masonry structures, performance assessment must incorporate the unique mechanical characteristics of masonry. Therefore, the preferred analysis technique must go beyond a linear approach. This study assesses the earthquake performance of a restored historical masonry arch bridge through nonlinear finite element analysis incorporating the Drucker–Prager damage criterion. The case study structure is the Mikron Arch Bridge, a nineteenth century Ottoman Era structure built over the Firtina River near Rize, Turkey, and restored in 1998. The Mikron Arch Bridge was first subjected to ambient vibration testing, during which accelerometers were placed at several points on the bridge span to record the bridge vibratory response. The investigators then used Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification techniques to extract the experimental natural frequencies, mode shapes, and damping ratios from these measurements. Experimental results were compared with those obtained by the linear finite element analysis of the bridge. Good agreement between mode shapes was observed during this comparison, though natural frequencies disagree by 8–10%. The boundary conditions of the linear finite element model of Mikron Arch Bridge are adjusted such that the analytical predictions agree with the ambient vibration test results. By introducing the Drucker–Prager damage criterion, the calibrated linear FE model was next extended into a nonlinear model. Nonlinear analysis of seismic behavior of Mikron arch bridge was performed considering the acceleration record of Erzincan earthquake in 1992 that occurred near the Mikron Bridge region. The displacement and stress results were observed to be allowable level of the stone material. Moreover, linear FE model calibrations elicited a significant influence on the nonlinear FE model simulations.     

弹性地基上转动FGM梁自由振动的DTM分析

基于Euler-Bernoulli梁理论,利用广义Hamilton原理推导得到弹性地基上转动功能梯度材料(FGM)梁横向自由振动的运动控制微分方程并进行无量纲化,采用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,计算了弹性地基上转动FGM梁在夹紧-夹紧、夹紧-简支和夹紧-自由三种边界条件下横向自由振动的无量纲固有频率,再将控制微分方程退化到无转动和地基时的FGM梁,计算其不同梯度指数时第一阶无量纲固有频率值,并和已有文献的FEM和Lagrange乘子法计算结果进行比较,数值完全吻合。计算结果表明,三种边界条件下FGM梁的无量纲固有频率随无量纲转速和无量纲弹性地基模量的增大而增大;在一定无量纲转速和无量纲弹性地基模量下,FGM梁的无量纲固有频率随着FGM梯度指数的增大而减小;但在夹紧-简支和夹紧-自由边界条件下,一阶无量纲固有频率几乎不变。     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。     

Vibration-test evaluation of an ULLAGE solid-propellant rocket motor

The mission of the ULLAGE motor is to maintain a positive acceleration of the Saturn rocket during the period between burnout of the first stage and ignitiion of the second stage. The eight ULLAGE motors attached to the Saturn second stage are fired during separation from the first stage. They must withstand intense sound levels and vibrations transferred through the first stage and the interstage structures. Vibration tests were performed on an inert ULLAGE motor to safely educe the approximate response of the design configuration. The results served as a basis for improved definitions of the control parameters in subsequent vibration tests performed during the development program. The motor was tested while subjected to harmonic (sinusoidal) displacing excitation, as well as to a Gaussian distribution of random vibration. The transmissibilities and power spectral densities were obtained for forcing functionals in the longitudinal, radial and tangenital directions. Summaries of all the vibration tests were prepared and the critical frequencies were enumerated and discussed.     

砌体复合剪压受力特性与数值分析方法

 从砌体细观结构出发，提出了用于砌体复合剪压受力过程模拟的细观力学 模型. 该模型假定砌体是由砂浆、块体及两者之间的粘结带组成的三相复合材料，以此为基 础对砌体三相组成的非均匀性予以表征. 提出了基于弹性损伤力学的本构关系，以最大拉应 力准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阈值，并借助复合材料破坏过程分析(MFPA)程序进 行受力分析. 结果表明，所采用的数值模型和模拟方法能够较好地模拟砌体复合剪压受力破 坏过程，为砌体开裂过程的机理分析提供了一种新的数值方法.     

利用位移引伸计测定薄板单轴损伤演化曲线的试验方法研究

一套准确而又简便的测试损伤变量的实验方法，对于推动连续介质损伤力学的工程应用是至关重要的。本文系统研究了利用位移引伸计测定薄板材料单轴损伤演化曲线的试验方法。采用引伸计测量大圆弧变截面试样中心部位某一标距段的伸长量，然后计算得到弹性模量的变化，进而确定损伤变量。文中就试样形状尺寸的确定、主损伤区弹塑性大应变的测控和卸载弹性模量的稳定性、与精确测量等关键测试技术问题进行了深入细致的分析和实验研究，并从多角度对该试验方法的正确性进行了实验验证。文中还介绍了该试验方法在确定LY12-CZ铝合金薄板单轴损伤演化曲线的应用，实验表明本文建议的试验方法是简便有效的，初步奠定了发展标准化损伤曲线测试方法的基础。     

基于提高频率灵敏度的结构损伤统计识别方法

提出了一种基于反馈控制结构动力特性的损伤统计识别方法。该方法采用基于独立模态空间的反馈控制,有目的地配置闭环系统的极点,根据损伤前后闭环系统的特征值构造损伤指标。采用假设检验判断损伤是否发生,并剔除特征量中损伤程度的影响,采用统计模式识别方法识别损伤位置。Benchmark结构的数值算例表明,本文提出的损伤识别方法能够较显著地提高模态频率对刚度变化的灵敏度,准确有效地检测在噪声环境下结构小损伤是否发生以及识别损伤位置。