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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

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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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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