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．     

局部裂纹损伤简支梁的曲率模态特性

将裂缝损伤简化成矩形凹槽,采用delta函数表示简支梁的裂纹损伤位置,得到了全梁范围内截面转动惯量和单位长度质量的表达式,建立了局部裂缝损伤简支梁的横向自由振动方程.利用摄动方法给出了裂纹摄动项的一般表达式,根据摄动项和完整梁都同时满足边界条件的特点,将一阶和二阶摄动项都表示成完整梁模态的线性组合,结合delta函数的性质,最终获得了受损简支梁的特征值和模态振型的解析表达式.最后,通过数值计算得到结构模态参数,对比了一阶摄动和二阶摄动对计算结果的影响,分析了不同阶固有频率和模态曲率的变动量,为简支梁的损伤监控和检测提供了理论依据.     

应变模态在含裂纹悬臂板裂纹检测中的应用

基于作者提出的含穿透裂纹板的有限元模型,研究了裂纹存在时悬臂板固有频率随裂纹位置的变化规律;探讨了它与应变模态之间的关系.对悬臂板应变模态的实测结果表明,以应变代替位移或加速度作为观测量对裂纹变化是比较敏感的,并说明了一阶应变模态在悬臂板裂纹检测中的应用.     

钢筋混凝土梁振动特性参数与损伤状况关系的数值仿真研究

基于分离式有限元理论,分别建立了存在钢筋混凝土局部松脱等多种形式损伤的钢筋混凝土梁横向弯曲振动力学模型,利用此模型能够计算各种损伤梁的固有频率等振动特性参数。对这些振动特性参数与各种损伤的状况之间的关系进行了数值仿真研究。提出固有频率可以作为钢筋混凝土梁损伤定性辨识的指标;针对不同的损伤形式,位移模态振型、曲率模态振型和剩余模态力向量是对局部损伤位置敏感的振动特性参数,可以利用敏感参数的绝对残差向量进行局部损伤的定位辨识;敏感参数绝对残差向量的范数与损伤程度具有良好的单调性关系,可以作为局部损伤定量辨识的指标。     

基于裂纹扭转弹簧模型的Timoshenko裂纹梁动力特性分析

忽略裂纹对梁剪切变形的影响,基于开裂纹的等效扭转弹簧模型,建立了Timoshenko裂纹梁动力弯曲的控制方程,得到了一种新的裂纹梁动力弯曲控制方程的求解方法,得出了具有任意条裂纹Timoshenko梁自振模态的统一显式表达式。数值分析了简支、悬臂、两端固支Timoshenko裂纹梁的自振频率和振动模态,考察了裂纹数目和裂纹深度等因素对裂纹梁动力特性的影响。结果表明:随着裂纹数目和深度的增加,裂纹梁的自振频率减小,且当裂纹较深时,裂纹深度对自振频率的影响显著;裂纹梁的挠度模态曲线和转角模态曲线在裂纹处分别呈现尖点和跳跃现象,且尖点效应和转角跳跃随裂纹深度的增加而愈加明显。另外,当裂纹处的弯矩为零时,裂纹对梁的自振频率和振动模态没有影响。这些结果可对梁的安全性评估及裂纹损伤检测提供理论指导。     

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。     

含旋转运动效应裂纹梁横向振动特性的研究

针对开口裂纹作用下旋转运动欧拉-伯努力梁的振动特性进行了研究。文中使用裂纹梁连续等效刚度模型模拟裂纹效应,将含裂纹旋转运动梁视为弯曲刚度沿梁长度方向连续变化的梁,并应用传递矩阵法推导了求解其振动特性的特征方程。考虑不同裂纹深度和位置、不同旋转速度,分析了梁的一阶和二阶固有频率的变化情况。研究结果表明:旋转运动效应和裂纹效应并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用效应;转速提升使由裂纹导致的频率衰减幅度变小,同时裂纹加深使得由速度升高带来的阶频提升更加显著;相比于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率更加显著。     

裂纹对两端固定的圆柱薄壳振动特性影响的试验研究

裂纹使弹性体产生新的自由边界,引起刚度降低,从而导致固有频率和屈曲临界载荷等力学特性发生变化。冈村弘之在分析裂纹对梁的固有频率影响时采用了弹性铰的力学模型,计算结果与试验较符合。等用Ritz法研究了悬臂板上不同位置的裂纹对固有频率与振型的影响,由沙型确定节线位置,发现随裂纹增长固有频率不断地降低。本文进一步研究不同方向的裂纹对两端固定的圆柱薄壳弯曲振动固有频率及振型的影响,采用全息摄影记录振型。     

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。     

约束阻尼梁的六阶模型分析

通过理论分析了约束阻尼三层梁振动分析常用的六阶模型,并指出了常用的六阶模型物理本质上的局限性,即基层与约束层的轴向位移之比u1/u3为常数.利用有限元模拟计算对不同边界条件对约束阻尼梁固有频率的影响进行了研究,结果发现与不考虑u1/u3为常数时的情况相比,考虑 u1/u3为常数时:对一端固支一端自由的悬臂梁计算影响最大,其一阶固有频率计算值偏高44.6%;对两端固支的梁,一阶固有频率计算值偏高4.94%;对简支梁的影响最小,一阶固有频率值只偏高0.9%.本文明确指出了约束阻尼梁振动分析常用六阶模型的适用范围.工程实际应用发现约束层与基层粘接到一起,近似相当于u1/u3为常数成立,减振效果较差,振幅降低小于10%;现场采取措施将与基层连接到一起的约束层断开,试验效果较好,减振幅度约为30%.     

温度变化对不同边界梁非线性振动及特性影响

温度变化有可能导致工程结构产生温度应力,引起结构振动特性发生改变.因此针对工程中常见的受轴力作用梁,基于Hamilton变分原理,在梁的应力-应变关系中引入温度变化,推导其非线性运动微分方程.针对三类边界条件(铰支-铰支、铰支-固支和固支-固支),开展特征值分析及模态离散.利用摄动法求解系统非线性自由振动和主共振响应的近似解,并得到其幅频响应方程.通过算例研究温度变化对梁非线性振动特性影响.研究结果表明:梁固有频率和温度变化呈现出反比例关系;温度变化与梁非线性振动时硬弹簧特性的程度呈正比例关系;温度变化对小幅和大幅振动时的响应幅值影响恰恰相反;相同温度变化条件对不同边界梁的振动特性影响有定量差异;温度变化会导致梁的位移场曲线发生定量改变.总之梁结构的线性和非线性振动特性受温度响明显,且需特别关注其边界条件.     

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．     

动能梯度环形截面梁的横向自由振动

对功能梯度材料制成的环形截面梁,假设材料的物性参数沿壁厚方向按幂率变化,基于Lagrange函数和Hamilton 原理,建立了该梁横向自由振动的Hamilton 对偶方程组. 采用辛方法求解了Hamilton 矩阵的辛本征问题,得到了简支、两端固定、悬臂和左端固定右端铰支4 种约束的FGM(functionally gradedmaterials)环形截面梁的固有频率和振型函数. 算例给出了这4 种约束的FGM 环形截面梁前8 阶无量纲固有频率随材料体积分数的变化规律,分析了材料体积分数对FGM 环形截面梁固有频率的影响.     

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小. 窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.      

三种典型轴向运动结构的振动特性对比

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明:随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小.窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.     

功能梯度材料梁自由振动的线性与非线性振动

基于数值模拟和理论分析两种方法,研究了功能梯度材料(functional gradient materials,FGM)梁自由振动下的线性与非线性振动问题。通过解析法求解了FGM梁在经典理论下以及一阶剪切理论下的力学行为,得到了FGM梁在简支和固端约束下的固有频率。理论分析了不同边界条件、不同梁理论下、梯度指数、长细比等因素对于FGM梁固有频率的影响;不论经典梁理论还是一阶剪切理论,随着梯度指数的增加,FGM梁的固有频率都随之减小。通过ABAQUS仿真模拟,得到FGM梁数值模拟下的非线性固有频率。将理论解与数值解进行对比,完善力学模型。在多种理论下,利用解析法和数值模拟的方法,给出FGM梁结构振动响应的线性与非线性解。     

自由度缩聚的柔度损伤诊断法

为了提高结构在模型自由度缩聚情况下的损伤识别结果的精度,本文推导了基于改进Guyan 缩聚法的结构振动方程式．通过求解振动特征方程,利用其特征值和特征向量构建结构缩聚后的柔度矩阵表达式,并引入结构缩聚后的柔度曲率矩阵差和柔度曲率矩阵变化率两个损伤指标,将引入的新损伤指标应用于平面桁架的损伤识别．研究表明：不管是单损伤还是多损伤,仅仅需要一阶模态参数,利用其引入的新损伤指标就可以精确地识别出损伤杆单元位置．即使在高强度噪音的影响下,也保证了其损伤识别结果的精确性．验证了本文基于改进的Guyan 缩聚法推导出的损伤指标具有较好的损伤定位性能和较高的抗噪性能．     

集中静荷载初始效应对固支梁固有频率的影响

研究了集中静荷载初始效应对于固支梁固有频率的影响,利用能量守恒方程和变分原理,得到了存在初始挠度时梁的振动控制方程。在此基础上,分析得到了存在初始挠度时梁固有频率的解析解,以及存在初始集中静荷载时固支梁的固有频率和固有振型的变化规律,分析比较了高跨比、梁上集中静荷载大小等因素对于固有频率的影响,并开展了相应的室内试验。结果表明:对于同一固支梁,固有频率随梁上静荷载的增大呈线性增大趋势;对于两端固支的3mm梁,初始挠度对固有频率的影响可达到17.3%;随着梁高跨比的减小,初始挠度对固有频率的影响逐渐增大。因此,实际的桥梁结构设计中,应充分考虑初始挠度对固有频率的影响。     

一种评价旋转态内嵌流体欧拉梁自适应减振效果的新方法

为了评价内嵌式粘性流体单元自适应减振方法(IVFUM)消减运动柔性结构残余振动的效果,进行了旋转态内嵌粘性流体欧拉梁自适应减振试验,对残余振动信号进行了处理。针对旋转态下的内嵌粘性流体欧拉梁残余振动信号具有刚体衰减转动的慢变信号与柔性结构残余振动快变信号相耦合的非平稳特征以及模态参数随时间变化的特点,提出了结合小波包、经验模式分解(EMD)、随机减量技术(RDT)、希尔伯特变换(HT)的综合信号处理方法。提取了内嵌粘性流体欧拉梁的一阶主振动响应信号,识别了梁的一阶模态参数(无阻尼固有频率和等效模态阻尼比)。与SDOF模型处理的数据结果进行比较,欧拉梁残余振动衰减的变化趋势基本一致,表明本文提出的方法在实际应用中是有效可行的。可以推断欧拉梁内嵌1/3左右空腔容积的水在2～5 Hz的旋转频率时,由于流动性较好,可以有效地消减运动柔性结构的残余振动。为半定量评价内嵌粘性流体方式对运动的工程柔性结构残余振动衰减效果提供了有效的依据。     

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．