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基于响应传递比的转子叶片动应变重构

航空动力学报 2021年第8期36卷 1690-1701页

作者：朱昱达乔百杰符顺国敖春燕陈雪峰西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710061 中国航空发动机集团有限公司四川燃气涡轮研究院成都610500

提出基于响应传递比的转子叶片动应变重构方法,从系统应变频响特性出发,在频域获得应变-应变响应传递比关于模态振型的解析表达式,建立叶片已知测点应变与不可测位置应变的映射关系;开展高速旋转叶片动应变测量实验,建立叶片有限元模型... 详细信息

提出基于响应传递比的转子叶片动应变重构方法,从系统应变频响特性出发,在频域获得应变-应变响应传递比关于模态振型的解析表达式,建立叶片已知测点应变与不可测位置应变的映射关系;开展高速旋转叶片动应变测量实验,建立叶片有限元模型,并采用转子叶片前4阶固有频率的实验结果修正有限元模型;开展考虑转速影响的转子叶片模态分析,提取对应的应变模态振型,计算得到单模态振动下应变-应变响应传递比;综合应变响应传递比和实测动应变重构叶片不可测位置的动应变。实验结果表明:与应变片实测结果相比,基于响应传递比的转子叶片动应变重构结果相对误差小于10%。

关键词：转子叶片动应变重构模型修正响应传递比应变模态振型

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基于应变响应的预损伤钢筋混凝土梁损伤识别研究

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实验力学 2018年第2期33卷 299-306页

作者：吴加权李红艳叶飞马琨昆明理工大学理学院

针对大型桥梁工程结构健康检测中难以实施人工激励的实际状况，提出和推导了环境激励下由应变响应实现结构损伤识别的快速方法及原理。以应变计获取不同损伤状况下钢筋混凝土梁的应变响应信息，研究了预损伤钢筋混凝土梁结构频率、振型... 详细信息

针对大型桥梁工程结构健康检测中难以实施人工激励的实际状况，提出和推导了环境激励下由应变响应实现结构损伤识别的快速方法及原理。以应变计获取不同损伤状况下钢筋混凝土梁的应变响应信息，研究了预损伤钢筋混凝土梁结构频率、振型、模态阻尼等动力特性在不同损伤状况下的演变规律。研究结果表明，本文所提原理和方法可直接、快速实现环境激励下钢筋混凝土桥梁结构的损伤识别。

关键词：应变响应预损伤钢筋混凝土梁固有频率应变模态振型损伤识别

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基于动态应变特征计算的复合材料结构损伤辨识方法研究

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基于动态应变特征计算的复合材料结构损伤辨识方法研究

作者：常海涛南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着现代航空航天技术快速发展,飞行器在现代社会生活中扮演着日益重要的角色,而实现针对飞行器典型结构损伤的快速准确辨识对于提升飞行品质与实现视情维修具有重要意义。因此,新兴的结构健康监测技术正成为航空航天领域研究的重要方... 详细信息

随着现代航空航天技术快速发展,飞行器在现代社会生活中扮演着日益重要的角色,而实现针对飞行器典型结构损伤的快速准确辨识对于提升飞行品质与实现视情维修具有重要意义。因此,新兴的结构健康监测技术正成为航空航天领域研究的重要方向。目前,以光纤布拉格光栅传感器测量结构振动应变响应信号,并以此信号进行损伤监测已成为结构健康监测领域的热门方向之一。为此,本文提出研究基于光纤布拉格光栅传感器的复合材料结构损伤辨识与评估方法。利用有限元ANSYS Workbench软件建立悬臂式复合材料结构模型,模拟了裂纹和通孔等典型损伤类型,分别研究了动态参数损伤识别方法、应变频响函数灵敏度参数识别方法和神经网络识别方法的损伤识别技术。主要研究内容如下:首先,研究了基于动态参数的结构损伤识别方法。借助有限元方法,构建了悬臂式复合材料结构力学模型。通过数值仿真方法,得到含损伤悬臂式复合材料结构和无损伤悬臂式复合材料结构固有频率特征变化,提出了基于固有频率特征变化的结构损伤存在辨识方法。通过数值仿真,得到应变模态振型及其对结构局部损伤敏感的特性。在此基础上,分别提出了基于应变模态振型变化差和应变模态振型变化率的裂纹损伤和通孔损伤位置辨识方法。根据有限元数值仿真结果,验证了基于上述两种指标进行损伤定位的可行性。其次,研究了基于应变频响函数灵敏度参数的结构损伤识别方法。采用有限元方法,推导出悬臂式复合材料结构应变频响函数矩阵,该应变频响函数包含对于结构局部微小损伤敏感的模态信息。在此基础上,提出基于应变频响函数灵敏度参数作为损伤定位指标的裂纹类损伤和通孔类损伤位置辨识方法。根据有限元数值仿真结果,验证了该方法的适用性。再次,研究了基于BP神经网络的结构损伤程度识别方法。分别选择应变模态振型变化差值和应变模态振型变化率作为输入向量,将结构损伤程度作为输出向量,研究基于应变模态振型的BP神经网络损伤识别方法。以悬臂式复合材料结构仿真算例验证,结果表明采用应变模态振型变化差和应变模态振型变化率作为特征向量,能够得到对结构损伤程度识别精度较好的训练网络,表明该方法能够用于悬臂式复合材料结构损伤程度定量分析。最后,研究了基于光纤布拉格光栅传感器与加速度传感器的悬臂式复合材料结构损伤识别功能实验验证。首先,采用加速度传感器,测量得到健康与含损伤悬臂式结构固有频率特征,用以辨识损伤是否存在。其次,借助光纤布拉格光栅应变传感器,测量健康与含损伤悬臂式结构振动应变信号。然后,通过应变模态振型计算,实现针对悬臂式结构裂纹损伤与通孔损伤位置的辨识。接着,采用BP神经网络算法,通过不同损伤程度的悬臂式复合材料结构固有频率作为特征向量,实现了损伤程度的定量辨识。

关键词：损伤识别应变模态振型应变频响函数灵敏度参数神经网络光纤传感器

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基于应变响应数据驱动的结构损伤识别方法

基于应变响应数据驱动的结构损伤识别方法

作者：秘佳楠厦门大学

学位级别：硕士

结构健康监测中的损伤识别成为了十分重要的问题。为提高土木工程的可靠度和降低事故发生的风险,进行结构的损伤识别有着十分重要的经济价值和工程意义。快速、准确地识别桥梁结构的震后损伤具有重要的现实意义。桥梁结构响应不仅受结... 详细信息

结构健康监测中的损伤识别成为了十分重要的问题。为提高土木工程的可靠度和降低事故发生的风险,进行结构的损伤识别有着十分重要的经济价值和工程意义。快速、准确地识别桥梁结构的震后损伤具有重要的现实意义。桥梁结构响应不仅受结构特性的影响,还和地震荷载和工作环境等复杂因素有关,而地震作用是无法预测和难以准确测量的,这使得根据未知地震激励下的结构响应来识别损伤成为有挑战性的课题。一种思路是将系统输入仅作为动力源,使其不参与识别过程,从而避免了对系统输入测量的依赖。这类方法能够仅基于响应数据进行结构损伤识别,不需要对结构施加特定的人工激励,从而避免了结构正常运营的中断,不仅测试成本低,而且测量时间大大缩短,便于工程应用。目前损伤识别方法可以根据对健康数据的依赖程度,分为需要健康和受损结构的数据的方法和只需要损伤结构的数据的方法,也就是有基线法和无基线法。大多数现有结构,特别是老旧结构由于历史或技术原因通常都缺乏健康数据,并且作为参考的无损数据可能会受到复杂环境影响,而不准确的健康数据又会对损伤识别造成困难,甚至造成错误的识别结果。因此发展对结构的无基线损伤识别研究非常重要。工程结构在疲劳荷载或强激励作用(如地震)下通常会产生明显的非线性行为,如混凝土的呼吸裂缝、钢筋发生屈服等。而结构在经历疲劳荷载或强激励作用后往往需要进行健康评估以保证其安全性和可靠性。目前损伤单元定位和定量识别的研究一般假设结构损伤为单元刚度折减等线性的损伤形式,与实际工程存在一定出入。由于结构进入非线性状态,使得传递比函数、频响函数等线性结构中的理论将不再适用。同时现有方法多是基于非线性模型进行损伤识别,但是非线性模型的建立较为困难。因此基于振动信号对多自由度系统中非线性损伤无模型定位和恢复力识别是土木工程中一个非常重要的问题。本论文主要研究内容如下:第二章讨论并证明了小波传递比函数在未知地震激励下进行损伤识别的可行性。结合了应变传递比与小波变换的优点,应变对结构响应中的微小变化比位移更敏感,并且应变传递比与传统的传递比相比显示出更好的性能。并且本章方法仅基于应变响应数据进行结构损伤识别不需要对结构施加人工激励,避免了结构正常运行的中断,测试成本低。通过对未知地震激励下的外伸梁模型和实际斜拉桥模型进行损伤识别,证明了该方法能准确定位结构中单个或多个损伤单元,并能在一定程度上识别损伤程度。并进行了斜拉桥桥塔实验验证了本章方法具有较高的识别精度和良好的抗噪声性能。第三章提出了一种结合应变传递比和振型小波分解的无基线损伤识别方法。基于应变响应功率谱密度传递比识别应变模态振型,利用小波分解将损伤位置处的模态异常进行放大对损伤进行定位。所提方法不需要基线数据作为对比,实现基于应变响应的无基线损伤识别。最后通过对简支梁、实际桥梁的有限元模型以及桥塔试验的损伤定位验证了方法的准确性和鲁棒性。第四章提出了结构非线性损伤定位与非线性恢复力识别的方法。计算各个单元应变响应的相对小波熵作为指标进行无基线的结构损伤单元定位。基于定位结果,将定位的损伤单元的非线性恢复力视为作用在线性结构上的“附加虚拟力”,并且进一步采用课题组提出的广义未知激励下的卡尔曼滤波(GKF-UI),对非线性恢复力进行无模型识别。该方法无需基线数据也不需要假设或者建立非线性力模型。同时由于GKF-UI可以实现无反馈的未知力识别,所以该方法也不需要观测非线性力作用位置处的响应,仅需结构的应变信号和少量加速度信号。最后通过数值算例表明了所提方法对不同数目,不同类型的非线性损伤都能够进行准确地定位和非线性力识别,具备广泛的工程应用前景。

关键词：结构损伤识别应变传递比函数无基线损伤识别应变模态振型小波变换非线性损伤定位相对小波熵非线性恢复力识别广义未知激励下的卡尔曼滤波

基于光纤光栅传感的蜂窝结构脱胶故障检测研究

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基于光纤光栅传感的蜂窝结构脱胶故障检测研究

作者：尹洁明武汉理工大学

学位级别：硕士

蜂窝结构作为一种兼具强度高、质量轻、抗噪声、抗振动等特点的复合材料结构,被广泛应用于航空航天,船舶,建筑等领域。板芯层间位置作为蜂窝结构最为薄弱的部位,易产生面-芯脱胶损伤从而影响蜂窝结构的整体强度。因此,脱胶的在线检测对... 详细信息

蜂窝结构作为一种兼具强度高、质量轻、抗噪声、抗振动等特点的复合材料结构,被广泛应用于航空航天,船舶,建筑等领域。板芯层间位置作为蜂窝结构最为薄弱的部位,易产生面-芯脱胶损伤从而影响蜂窝结构的整体强度。因此,脱胶的在线检测对于蜂窝结构至关重要,可提高蜂窝结构运行过程中的可靠性和安全性。本文首先通过对蜂窝结构脱胶故障机理研究,建立了蜂窝结构健康状态与局部脱胶损伤状态下的动力学模型,揭示了局部脱胶导致的系统动态特性变化规律。然后,利用光纤光栅传感网络对蜂窝结构表面应变进行监测,并通过运行模态识别方法获取相应应变模态振型,基于多阶应变模态振型结合数据融合理论提出了能有效表征脱胶损伤的指标。最后,通过仿真与实验验证了脱胶故障机理模型与脱胶检测方法的正确性。主要的工作可以总结如下:（1）根据蜂窝结构等效理论,推导了基于Hoff理论的蜂窝结构等效参数,并利用系统动力学建模对等效蜂窝梁的模态参数进行了求解;通过对脱胶故障机理进行分析,并将结果引入欧拉-伯努利方程,从而建立了损伤态蜂窝梁动力学模型。采用摄动理论对损伤状态动力学模型进行解析求解,获取了损伤状态下的振型、固有频率等模态参数。基于该模型分析了健康状态和脱胶状态下的模态应变变化规律,得到了模态应变能有效表征蜂窝结构脱胶的结论,并结合有限元仿真模型进一步验证了该模型的正确性。（2）为了解决传统指标在噪声环境下难以对损伤位置进行准确判断的问题,本文提出了一种基于D-S证据理论的新型应变模态振型变化融合指标（SMSCF）,对噪声环境下脱胶损伤进行有效定位,并采用有限元仿真验证了所提指标的抗噪性。在模态应变提取方面,研究了运行模态应变识别方法,实现对蜂窝结构运行状态下的模态应变识别,使得利用所提检测方法与指标进行脱胶在线检测成为了可能。（3）在传感手段方面,本文构建了蜂窝结构的光纤光栅传感网络,依此搭建了蜂窝结构模态分析与脱胶损伤测试平台。在此平台下,首先对蜂窝结构进行了实验模态分析及运行模态分析,通过两者对比结果分析,验证了运行模态识别方法在模拟环境激励下具有良好的识别性能。最后,开展了蜂窝结构脱胶检测实验,对单点脱胶/多点脱胶损伤工况进行了检测,结果表明本文所提检测方法与指标的正确性和抗噪性。

关键词：蜂窝结构脱胶损伤检测光纤光栅(FBG) 应变模态振型数据融合

应变模态法在悬臂梁结构损伤监测诊断中的应用

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江南大学学报（自然科学版） 2008年第4期7卷 475-478页

作者：郭湘宇周海燕江苏信息职业技术学院机电工程系江苏无锡214061 湖北江山重工有限责任公司研发中心湖北老河口441813

工程实际中各种结构的应变模态对于结构的微小损伤具有高度敏感性,依据这一特点及应变模态振型的变化,便于及时监测、诊断结构的损伤程度及损伤位置,以保证结构的可靠性及安全性.从理论和实验的角度探讨了应变模态的原理和参数识别方法... 详细信息

工程实际中各种结构的应变模态对于结构的微小损伤具有高度敏感性,依据这一特点及应变模态振型的变化,便于及时监测、诊断结构的损伤程度及损伤位置,以保证结构的可靠性及安全性.从理论和实验的角度探讨了应变模态的原理和参数识别方法,并通过实验对悬臂梁进行应变模态参数识别,获得了悬臂梁多阶应变模态的振型图.根据悬臂梁的振型变化,判断出结构微小损伤的具体位置,并由此验证结果将应变模态法应用于工程实际并对各种结构损伤进行监测诊断的可行性.

关键词：结构损伤应变模态应变传递函数应变模态参数识别应变模态振型

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