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船体薄板结构T型焊接失稳形变控制方法研究

舰船科学技术 2019年第24期41卷 208-210页

作者：朱霞内蒙古机电职业技术学院内蒙古呼和浩特010070

针对原有船体T型焊接失稳形变控制方法因焊接方式选择不当造成控制效果较差的问题,设计新型船体薄板结构T型焊接失稳形变控制方法。基于失稳形变原理特征,采用有限元模型完成T型焊接处模型的构架,并设定相应的尺寸参数。根据构建完成后... 详细信息

针对原有船体T型焊接失稳形变控制方法因焊接方式选择不当造成控制效果较差的问题,设计新型船体薄板结构T型焊接失稳形变控制方法。基于失稳形变原理特征,采用有限元模型完成T型焊接处模型的构架,并设定相应的尺寸参数。根据构建完成后的模型,对焊接处的收缩力进行分析,得出其具体数值与变化规律。根据变化规律,更新船体T型焊接的焊接工艺参数与焊接方法,以此控制失稳形变现象的产生。通过实验研究分析可知,与原有控制方法相比,此方法的形变数值在形变临界值内,波动稳定,原有方法形变数据值波动较大,不易控制。因而,此方法控制效果更佳。

关键词：薄板结构焊接工艺形变稳定性控制

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复合材料薄板结构分层损伤的建模与探测

复合材料薄板结构分层损伤的建模与探测

作者：成鑫磊重庆交通大学

学位级别：硕士

碳纤维增强树脂复合材料薄板由于自身力学特性和轻质优点,在航天航空结构中广泛应用。然而,复合材料会因结构遭遇物体冲撞,或在制造、运输、安装过程中造成渗入空气、应力集中等情况,导致材料内部产生不易察觉的内部损伤。其中,分层损... 详细信息

碳纤维增强树脂复合材料薄板由于自身力学特性和轻质优点,在航天航空结构中广泛应用。然而,复合材料会因结构遭遇物体冲撞,或在制造、运输、安装过程中造成渗入空气、应力集中等情况,导致材料内部产生不易察觉的内部损伤。其中,分层损伤是复合材料薄板结构的主要损伤形式。此类缺陷使得材料的结构强度和刚度大幅度下降,同时造成结构抗失稳能力急剧降低,从而导致航空、航天器中复合材料薄板结构不能保证良好的使用性和安全性。因此,为避免分层损伤对复合材料薄板结构产生灾难性的后果,保证航空航天器的安全性并提高其使用寿命,研究分层损伤对薄板结构的影响,从而探测确定航空航天器上复合材料薄板结构分层损伤的位置与受损程度,是确保复合材料薄板结构安全可靠的重要和必要工作,对保证结构承载力的可靠性具有一定的意义。为此,基于固有频率易于测量、且测量精度高的特点,将正交化后的固有频率变化量,应用于含有分层损伤的复合材料薄板结构中,提出了一种新型反向确定结构损伤位置的理论方法。针对飞机中机翼等结构中出现的分层损伤,通过明确分层损伤构成的建模参数,以应用精确刚度阵法与Wittrick-Williams算法的软件VICONOPT为平台,并假设分层损伤厚度无穷小,建立含有分层损伤的复合材料薄板模型,采用控制变量法分析各个参数对自由振动下结构动力响应及振动模式。详细讨论了分层损伤几何尺寸和坐标轴3个方向位置对复合材料薄板结构影响,得到分层位置与固有频率变化趋势之间的联系,为使用固有频率反向确定结构分层损伤位置提供了理论依据。同时,以含有分层损伤的自由振动试验数据为基础,应用正交化固有频率变化量探测方法的自编程序,对比预测分层损伤位置与真实分层损伤位置,验证了该方法预测分层损伤的有效性,且操作简单、高效。此外,将复合材料悬臂梁结构自由振动试验数据代入自编程序中,采用正交化固有频率预测分层损伤位置方法同样可以得到可靠的预测结果。基于该试验数据的验证,从另一方面验证了该方法关于复合材料分层损伤位置探测具有一定可靠性,可以应用在实际工程中解决实际问题。此外,对于机翼结构实际的边界条件,考虑不同边界条件下含有分层损伤的结构探测仿真,对比不同严重程度、处于横向不同位置的分层损伤对探测结果的影响。最终得到结论:当分层损伤处于小范围内,固有频率仍然处于线性下降范围,基于频率测量模式的分层损伤探测方法可以应用于复合材料薄板结构中,完成分层损伤位置的预测。该方法旨在分层损伤扩大化引起结构失效破坏之前,将分层损伤探测到,以保证结构的安全性及使用性。

关键词：固有频率薄板结构分层损伤位置预测

基于应变柔度的薄板结构传感网络优化及损伤识别研究

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基于应变柔度的薄板结构传感网络优化及损伤识别研究

作者：吕江涛武汉理工大学

学位级别：硕士

机械结构健康监测系统能够较全面的把握机械装备服役期间的受力和损伤演化规律,是国民经济、生命安全的重要保障。而机械结构健康监测系统性能与损伤识别算法和传感网络质量密切相关。基于应变柔度的损伤识别方法因其模态截断误差影响... 详细信息

机械结构健康监测系统能够较全面的把握机械装备服役期间的受力和损伤演化规律,是国民经济、生命安全的重要保障。而机械结构健康监测系统性能与损伤识别算法和传感网络质量密切相关。基于应变柔度的损伤识别方法因其模态截断误差影响小、损伤灵敏度高、抗干扰性能强等优势成为目前结构健康监测领域的研究热点之一。薄板结构作为机械系统的基本构件之一,研究基于应变柔度的薄板结构传感网络优化和损伤识别方法对提高机械结构健康监测系统的稳定性和可靠性具有重要意义。本文分别提出了基于应变柔度的薄板结构应变传感网络优化方法和损伤识别方法,研究的主要内容包括:(1)以薄板结构损伤前后刚度矩阵变化为出发点,推导了应变柔度矩阵关于板单元损伤的灵敏度公式。根据应变柔度损伤灵敏度公式,从损伤系数最优估计角度定义了Fisher信息矩阵,以使Fisher信息矩阵二范数最大化以及模态置信准则矩阵最大非对角元素最小化为目标设计了传感网络优化准则,并通过建模分析确定了基于遗传算法的传感网络优化算法。通过数值对比分析,验证了基于应变柔度损伤灵敏度的传感器优化布置准则和算法的可靠性。(2)利用应变振型质量归一化条件构建了一个虚拟结构,通过分析实际结构与虚拟结构的特征方程以及模态正交性条件,定义了仅需要固有频率和任意幅值应变振型的比例应变柔度矩阵。通过分析模态质量矩阵对比例应变柔度矩阵精度的影响,改进了比例应变柔度矩阵构造方法,并设计了基于比例应变柔度矩阵变化的损伤标识量。通过四角固定薄板结构仿真分析验证了高阶模态截断误差、噪声干扰以及不同损伤工况下基于比例应变柔度的薄板结构损伤识别方法的精度和可靠性。(3)设计了基于分布式光纤光栅传感的四角固支薄板结构裂纹损伤识别实验系统。利用基于比例应变柔度矩阵的损伤标识量和损伤阈值对薄板结构进行了损伤定位,验证了基于比例应变柔度矩阵的损伤识别方法的可靠性。利用光纤光栅解调系统和MATLAB语言实现了薄板结构健康监测系统的传感网络优化、运行模态分析以及在线损伤识别等基本功能,并通过现场测试验证了系统的稳定性和可靠性。

关键词：薄板结构应变柔度传感网络优化损伤识别结构健康监测系统

基于奇异强度因子的薄板结构切口应力场和N-SIF评估方法研究

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基于奇异强度因子的薄板结构切口应力场和N-SIF评估方法研究

作者：梁贵明武汉理工大学

学位级别：硕士

线弹性断裂力学是研究弹性体中尖锐裂纹的断裂基础理论,是开展含切口或裂纹结构应力场和疲劳评估的基础。结构几何不连续的地方是应力集中的主要部位,会大大降低结构的疲劳性能,对于几何不连续地方的应力场分析,特别是V形切口的应力场... 详细信息

线弹性断裂力学是研究弹性体中尖锐裂纹的断裂基础理论,是开展含切口或裂纹结构应力场和疲劳评估的基础。结构几何不连续的地方是应力集中的主要部位,会大大降低结构的疲劳性能,对于几何不连续地方的应力场分析,特别是V形切口的应力场分析是评估此类结构疲劳性能的关键。含V形切口的焊接结构广泛存在于航空航天和海洋结构物中,因此,本文重点研究V形切口的应力场简易评估公式,简化切口应力场的评估流程,为焊接结构或含切口结构的疲劳评估奠定基础。本文所开展的主要工作如下:(1)基于切口应力强度理论,综合考虑结构几何和焊接几何对切口应力场的影响,引入奇异强度因子“as”的概念,提出了评估含裂纹无限板切口应力场分布的简易评估公式;建立不同张开角下的含切口无限板模型,开展切口应力场的数值分析,拟合得到了奇异强度因子“as”的简易公式,可以用于含切口结构的应力场快速评估;与传统的切口应力场评估公式和数值结果相比,本文的简易公式具有更高的评估精度,可减少网格的敏感性对切口应力场评估的影响,而且大幅简化了切口应力场评估的流程。(2)在无限板宽的切口应力场评估公式基础上,本文推导并验证了有限板宽下V形切口板切口应力分布和N-SIF的简化计算公式;建立一系列不同几何尺寸、不同张开角下的有限板宽双边切口模型,对含双边V形切口的应力场公式进行简化和拟合;在此基础上,采用控制变量法得到了“as”与几何参数、切口张开角的关系曲线,拟合得到了奇异强度因子“as”的统一计算公式;通过构造奇异强度因子as与N-SIF之间的关系,进一步得到了无量纲的N-SIF。将简单公式预测结果与有限元和传统公式结果进行对比,结果表明该公式可以简单准确的预测有限板宽双边切口试件的应力场和N-SIF。(3)在有限板宽的切口应力场评估公式基础上,将切口应力场的简易公式推广到复杂倾斜角;建立一系列不同几何尺寸、张开角和倾斜角下的有限板宽的斜裂纹切口模型,对含斜裂纹切口的应力场进行简化和拟合;在此基础上,采用控制变量法得到了“as”及无量纲N-SIF与几何尺寸、倾斜角和张开角的关系曲线,拟合得到了有限板宽的斜裂纹切口无量纲N-SIF的计算公式;最后本文通过分析简单公式的预测结果与有限元结果之间的误差,发现本文所计算的无量纲N-SIF与有限元结果之间的误差均在10%以内,且90%以上的结果计算误差在3%以内,与传统的N-SIF评估公式相比,本文简便的公式具有较高的精度和更广的开口角应用范围。

关键词：线弹性断裂力学 V形切口薄板结构切口应力强度因子(N-SIF) 奇异强度因子as

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考虑加筋效应的薄板结构低频声传递损失

华侨大学学报（自然科学版） 2017年第5期38卷 649-652页

作者：欧达毅华侨大学建筑学院福建厦门361021 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广东广州510640

设计一种参数可调的加筋板结构简易实验装置,可根据需要对加筋板的加筋条数、加筋位置、加筋条材料、加筋条尺寸等加筋参数进行调整,研究不同加筋参数对结构整体性能的影响效果.基于该装置,选取3种不同加筋位置对平板结构进行加筋处理,... 详细信息

设计一种参数可调的加筋板结构简易实验装置,可根据需要对加筋板的加筋条数、加筋位置、加筋条材料、加筋条尺寸等加筋参数进行调整,研究不同加筋参数对结构整体性能的影响效果.基于该装置,选取3种不同加筋位置对平板结构进行加筋处理,并对加筋平板结构的低频隔声性能进行测试,尤其对不同加筋位置的作用效果进行分析,验证加筋参数对结构低频隔声性能的影响.研究结果表明:仅调整加筋位置这一参数就会对平板结构的低频隔声性能有所影响,尤其对声传递损失曲线的谷点频率有重要影响.

关键词：薄板结构加筋效应加筋结构声传递损失低频噪声

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焊接工艺对薄板结构焊缝区残余应力的影响

焊接技术 2007年第3期36卷 63-65页

作者：闫俊霞刘丽敏王会霞河北科技大学材料学院河北石家庄050054

采用焊接温度场与热应力场非耦合的方式,对薄板结构焊缝区残余应力进行了热-弹塑性有限元分析,模拟了连续焊缝焊接热输入以及施焊断续焊缝时薄板两端张力大小对焊后残余应力的影响。结果表明,残余应力峰值与焊接热输入无关。降低热输入... 详细信息

采用焊接温度场与热应力场非耦合的方式,对薄板结构焊缝区残余应力进行了热-弹塑性有限元分析,模拟了连续焊缝焊接热输入以及施焊断续焊缝时薄板两端张力大小对焊后残余应力的影响。结果表明,残余应力峰值与焊接热输入无关。降低热输入,可以减小塑性变形区宽度,并且使远离焊缝处的压应力数值减小,这将减小焊后薄板的失稳变形。焊接过程中对薄板两端施加拉力,焊后可以减小施力方向的残余应力峰值,但并不影响拉伸区的宽度,从而适当增大薄板两端的拉力可以减少焊接变形的产生。

关键词：焊接薄板结构残余应力有限元

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动力吸振器设计及薄板结构低频隔声技术研究

动力吸振器设计及薄板结构低频隔声技术研究

作者：王子敬北京交通大学

学位级别：硕士

高速铁路的快速发展,给人们的交通出行带来了极大的便利,但是随之带来的噪声问题日益成为人们关注的焦点。传统的隔声技术在高频噪声上能取得显著的隔声效果,但是低频噪声的控制效果不容乐观,尤其是在薄板结构的应用上,传统的隔声技术... 详细信息

高速铁路的快速发展,给人们的交通出行带来了极大的便利,但是随之带来的噪声问题日益成为人们关注的焦点。传统的隔声技术在高频噪声上能取得显著的隔声效果,但是低频噪声的控制效果不容乐观,尤其是在薄板结构的应用上,传统的隔声技术需要较大的突破,主动隔声技术正是在传统隔声技术上的创新,能很好的补充传统隔声技术在低频噪声控制上的不足。本文主要是对基于动力吸振器的薄板低频隔声性能的研究。首先根据理论及仿真对薄板的结构特性进行了分析,并研究了动力吸振器的减振原理及参数设计方法,设计出了第一代动力吸振器并对动力吸振器的零件进行加工和组装,得到第一代动力吸振器样机。使用样机在混响室-消声室的薄板隔声实验平台上进行隔声实验,分析测试结果。实验发现基于动力吸振器的薄板主动隔声技术能有效的提高薄板结构的隔声性能。根据实验过程中的观察和对实验结果进行分析,找出了样机结构的不足之处,然后对结构进行优化设计出第二代动力吸振器。为了得到更宽的控制频带,第二代动力吸振器不仅采用四振子的设计,还加入了阻尼元件,通过隔声仿真实验分析,发现附加第二代动力吸振器的薄板在100～200Hz频率范围内隔声性能得到明显提高。最后,本文还研究了在薄板上附加第二代动力吸振器的基础上,增加粘弹性材料块和钢板结构,并进行隔声仿真实验,使得薄板的隔声性能得到进一步提升。

关键词：薄板结构隔声动力吸振器

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外部拘束对薄板结构焊接失稳变形的影响研究

外部拘束对薄板结构焊接失稳变形的影响研究

作者：周晓丽华中科技大学

学位级别：硕士

轻量化建造是现代造船发展趋势,高强钢薄板用于船舶建造不仅能保证船舶强度,而且能降低能耗、减少排放并提高船舶运载量;但薄板结构厚度锐减,其保持稳定性的能力显著降低,在焊接过程中极易发生失稳。施加外部拘束是最常用的控制焊接失... 详细信息

轻量化建造是现代造船发展趋势,高强钢薄板用于船舶建造不仅能保证船舶强度,而且能降低能耗、减少排放并提高船舶运载量;但薄板结构厚度锐减,其保持稳定性的能力显著降低,在焊接过程中极易发生失稳。施加外部拘束是最常用的控制焊接失稳变形的方法之一,但外部拘束的施加多以经验为准,提出具体的理论指导则变得更加必要。本文首先基于两类典型接头的外部拘束焊接试验,采用热-弹-塑性有限元方法进行模拟分析;研究压条拘束距离、释放温度、压块分布形式及数量对对接接头失稳变形的影响;随后研究压条拘束距离对T型接头焊接失稳变形的影响;用固有变形理论阐明外部拘束控制典型接头失稳变形的机理;将外部拘束应用于板架结构焊接过程,并将T型接头的分析结果推广到板架结构的精度控制中,进一步阐明外部拘束控制板架结构失稳变形的机理。结果表明(1)压条拘束能将对接接头的焊接失稳变形减小22%～40%;不影响焊缝附近温度场的拘束距离应大于等于80 mm;且压条控制效果对拘束距离不敏感;压条拘束使对接接头纵向固有收缩和横向固有弯曲减小,从而使焊接失稳变形得到控制;在接头不同温度释放压条对总体面外变形影响甚微;相比于压条拘束,压块拘束效果较差,不同的压块分布形式对对接接头焊接失稳变形影响较小。(2)压条拘束可将T型接头的焊接失稳变形减小24%～45%,且最佳的拘束距离为180 mm;施加压条拘束对T型接头纵向固有收缩影响很小,但能使横向固有弯曲减少10%～40%,从而使T型接头的焊接失稳变形得到有效地控制。(3)外部拘束可使板架结构焊接失稳变形减小30%以上;压条平行于纵向焊缝时,板架结构的失稳变形对拘束距离不敏感;压条平行于横向焊缝时,在80 mm到160 mm拘束范围,板架结构的失稳变形可减小30%～35%,在220 mm到280 mm拘束范围,板架结构的失稳变形可减小近70%;外部拘束的存在使得横向筋板焊接完成后的横向固有弯曲显著降低,降低幅度在60%以上,这是板架结构焊接失稳变形得到有效控制的原因。本文采用热-弹-塑性有限元方法研究了外部拘束对轻量化结构焊接失稳变形的影响,并基于固有变形理论阐明了外部拘束控制焊接失稳变形的机理;针对实际工程中以经验为指导施加外部拘束的现状,提供了理论上的参考。

关键词：薄板结构焊接失稳变形热-弹-塑性有限元外部拘束固有变形

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通透开裂薄板结构的振动和声强响应实验研究

通透开裂薄板结构的振动和声强响应实验研究

作者：龚健浙江工业大学

学位级别：硕士

薄板结构是机械设备中非常重要的组成部分,通透开裂(通透性裂缝)是薄板结构缺陷中常见的重要特征之一,为了保证设备的正常运行以及预测其寿命,结构通透开裂的检测一直是研究的热点。结构的通透开裂会导致振动或者噪声加剧,而传统的研究... 详细信息

薄板结构是机械设备中非常重要的组成部分,通透开裂(通透性裂缝)是薄板结构缺陷中常见的重要特征之一,为了保证设备的正常运行以及预测其寿命,结构通透开裂的检测一直是研究的热点。结构的通透开裂会导致振动或者噪声加剧,而传统的研究局限于仅单独研究结构的振动响应,或者结构的声场响应,没有分析振动响应和声场响应的直接联系,因此,本文采用振动响应结合声响应,尤其是辐射声强这一声学量作为观测量,对薄板结构在通透开裂的影响下的声振特性进行研究对比,发掘声振特性之间的共性和关联,进而识别预判薄板结构是否存在开裂及开裂位置,为结构潜在裂缝的预判和位置定位提供指导。本文的主要工作是对具有通透开裂特征的薄板的振动响应和声学响应进行了理论和实验研究,对比分析了其结果。首先,介绍了研究课题的背景和意义;其次,推导了四边固支矩形薄板的模态计算公式和薄板振动的辐射声强计算公式,为后续的仿真奠定基础;随后,运用ANSYS软件对具有无开裂、左通透开裂、中间通透开裂和斜通透开裂等4种代表性的矩形薄板进行了模态仿真计算,从而获得模态信息,包括固有频率和模态振型,分析结果表明具有通透开裂的矩形薄板的固有频率都比无开裂薄板的固有频率低,4种开裂对薄板的所有模态振型都有不同程度的影响;然后,基于仿真结论的基础上,利用Polytec激光测振仪进行了模态分析的实验研究,将实验结果与仿真结果进行对比,分析了通透开裂对薄板模态的影响;最后,在薄板振动实验的基础上,输出薄板的某个固有频率的单频信号激励薄板振动,利用声强测量系统及自制声强阵列对薄板进行了声强测量实验,依次对四种不同开裂的薄板振动的辐射声强进行实验,研究通透开裂对薄板结构声响应的影响。研究结果表明:薄板振动辐射声强幅值分布与振型的幅值位置基本吻合;通过薄板振动的辐射声强能够识别出薄板开裂的位置。最后一章中总结了本文的主要工作和结论,并对进一步的研究进行了展望。

关键词：薄板结构通透开裂固有频率模态振型声强测量