基于模态应变能比与神经网络的复合材料结构损伤辩识

从结构动力学特性入手,以模态应变能比作为表征结构损伤的标识量,对含损伤的复合材料机翼结构进行损伤辨识仿真,通过神经网络建立起损伤标识量和损伤状态之间的映射模型.仿真结果表明,模态应变能比对结构损伤位置和损伤程度都比较敏感,是一种有效的损伤标识量.神经网络可准确地识别出结构的损伤位置和损伤程度,应用于损伤识别是有效的.     

模态应变能在复合材料机翼结构损伤检测中的应用

以复合材料机翼结构为研究对象，采用单元模态应变能改变率作为结构损伤标识量，对损伤结构进行损伤识别仿真。应用NASTRAN有限元程序对模型进行模态分析，模态分析的结果表明，单元模态应变能改变率对不同位置和不同程度损伤都具有较强的敏感性。应用神经网络成功识别了损伤的位置和程度，指出其可行性。     

基于应变模态差和神经网络的管道损伤识别

应变模态差对结构微小损伤具有很高的敏感性且对结构损伤处具有较高的定位识别率,故在工程实际中可以利用其对管道进行损伤识别。然而,应变模态差只能定性地反映结构的损伤程度,并不能直接量化损伤结构的损伤程度,故采用神经网络和应变模态差相结合的方法对损伤管道进行损伤位置和损伤程度的识别。利用有限元分析软件ANSYS进行模态分析提取管道的应变模态参数,并把管道损伤前后的应变模态差作为神经网络的输入参数,以损伤位置和损伤程度作为神经网络的输出参数,对损伤管道分别进行单损伤和双损伤的损伤定位和程度识别。研究结果表明,利用应变模态差和神经网络相结合的方法能够准确识别出管道的损伤位置以及损伤程度。     

基于应变模态分析的长输油气管线损伤检测仿真研究

基于应变模态方法，运用有限元分析软件ANSYS对石油工业中的压力管道损伤识别进行了初步的研究。ANSYS的模态分析可以求得结构在损伤前后的位移模态，将其转换为对应阶数的应变模态，并对比应变模态损伤前后的变化，作出应变模态差值曲线以此来判断损伤的存在和位置以及损伤程度。计算结果表明：利用应变模态差值曲线能比较准确地识别出管道结构模型的损伤存在和损伤位置，并依此定性地识别出管道结构模型的损伤程度。采用此方法进行管道结构进行损伤识别比传统的损伤检测方法更加准确、方便。     

基于应变模态的模态应变能损伤识别方法

传统模态应变能计算需要完备模态振型信息,而模态振型信息中存在转角自由度难以准确获取的问题,为解决该问题,开展基于应变模态的模态应变能损伤识别研究,实现了结构损伤的定量识别。首先,通过基于应变与位移之间的联系,推导出应变模态与位移模态之间的转换矩阵;其次,利用应变模态代替位移模态计算单元模态应变能,建立基于灵敏度分析的损伤识别方程组;最后,根据奇异值截断法求解该方程组识别结构损伤。以一两端固支梁结构为对象,开展数值仿真和实验研究。结果表明,该方法可以有效识别出结构的损伤位置和损伤程度,相对于基于振型扩充的模态应变能损伤识别方法,具有更好精度和抗噪性能。     

应变模态在斜拉索损伤诊断中的应用

应用应变模态方法对斜拉索的损伤识别进行了研究.通过对斜拉索在不同损伤工况下的数值仿真计算,探讨了应变模态方法用于斜拉索损伤识别的能力.结果表明:利用应变模态差曲线能准确识别斜拉索的损伤位置.并且,应变模态差曲线在斜拉索损伤单元处的跳跃幅值随单元损伤程度的增加而增大.所以,应变模态是对结构进行损伤诊断的较理想的损伤识别指标.     

基于应变指标的微弱损伤识别的实验方法

针对位移指标对微弱损伤不敏感的特点,研究了基于应变模态的损伤识别方法。该指标从应变模态参数识别着手,获得低阶应变模态振型,构造应变模态差,达到了结构微弱损伤的识别目的。通过与位移指标对比,实验表明该指标能通过应变模态振型和应变模态差准确识别微弱损伤的位置和损伤的程度。     

基于应变模态差的管道损伤识别仿真

对具有一定程度损伤的管道,常规的结构有限元分析或实验模态分析得到的位移模态和固有频率难以有效反映管道的损伤状况.为了提高诊断的有效性及可靠性,采用结构损伤前、后的单元应变模态差作为管道损伤定位的识别指标.利用有限元分析软件Ansys对同一单元不同程度损伤、同程度多损伤的管道进行数值模拟分析,提取不同状况下的应变模态分别与正常状况下的应变模态进行差值分析.结果表明,应变模态差的方法能够较好地对管道的单损伤和多损伤位置进行识别.     

基于柔度矩阵和神经网络的结构损伤识别法

提出一种分步识别结构损伤的方法。首先利用测量模态参数建立结构柔度矩阵来确定结构损伤的大体位置，然后应用神经网络技术和结构的加速度响应对确定的损伤范围进行参数识别，根据识别的刚度值判别结构的损伤程度。通过一个8自由度结构的仿真计算表明，该方法稳定性好，计算精度高，对噪声具有很高的鲁棒性，在10％噪声情况下，应用神经网络技术能较精确地得到结构的损伤程度，显示了该方法对大型复杂结构进行损伤诊断的潜力。     

利用单元模态应变能法的地下框架结构损伤诊断

基于地下框架结构损伤前后动力特性的分析,证明了模态应变能变化对单元损伤的敏感性。选择单元模态应变能变化率作为人防结构损伤诊断的标识量,证明了多位置损伤状态下产生的单元模态应变能变化率是单位置损伤状态的叠加,并提出了应用组合优化求解结构多位置损伤诊断的方法。以一典型的人防工程为算例,通过对其在不同损伤情况下计算结果的分析和讨论,说明所提出方法是有效可行的,它不仅可以准确完成人防结构的损伤诊断,并且简化了损伤诊断过程。     

基于CMSE理论和遗传算法的结构损伤检测方法研究

提供了一种基于交叉模态应变能(CMSE)的结构损伤位置和严重程度的有效检测方法。传统的模态应变能方法必须比较损伤结构和完好结构的同一阶模态信息,并且要求解析的和测量的模态在尺度上一致或者标准化,而CMSE方法没有这样的限制。在损伤位置的检测上引入了遗传算法,有利于大型复杂结构的损伤位置检测。算例采用了复合材料机翼盒段模型,结果表明,CMSE方法与遗传算法相结合是检测结构损伤的有效方法之一。     

Development of scanning damage index for the damage detection of plate structures using modal strain energy method

This work presents a novel approach of nondestructive detection of damage in plate structures by using experimental modal analysis (EMA) and modal strain energy method (MSEM). An aluminum alloy 6061 thin plate with a surface crack is investigated in this study. EMA is conducted on the plate to obtain the mode shapes before and after damage. The modal displacements of each mode shape are then used to compute the modal strain energy. For all measured mode shapes, a damage index is defined by using the ratio of modal strain energies of the plate before and after damage. In fact, small damage causes very little change in system response, but it is an essential early warning of structure damage. As the second-order derivatives, modal strain energy is much more sensitive to the small change of structural response than frequencies and mode shapes. It is therefore feasible to approach the small damage by using a damage index defined by fractional MSE of the structure before and after damage. In this study, a scanning damage index (SDI) is developed by moving damage indices obtained from the local area throughout the structure as if a scanning sensor is used to inspect the structure. The damage indices in overlap areas are added up and the summation may intensify the signals of damage in the plate. Limited by the numbers of measured point, a differential quadrature method is employed to calculate the partial differential terms in strain energy formula. Experimental results show that SDI well identifies a surface crack location by using only few measured mode shapes of the aluminum plate. This novel approach provides a flexible, cost-effective, and nondestructive damage evaluation in either local or global structure. Its applicability to different types of structures and different sizes of damage is to be experimentally validated in the future work.     

含SMA约束层的复合材料矩形板的阻尼能力分析

研究由形状记忆合(shape memory alloy，简写为SMA)SMA约束层、SMA纤维混杂叠层材料构成的复合材料矩形板的阻尼性能。采用多胞模型和细观力学阻尼分析方法，分别预测叠层复合材料单层的弹性性能和阻尼性能，在叠层材料中计入横向剪切变形的影响。在导出矩形板的应变能和耗散能的基础上，根据最大应变能理论建立板的模态阻尼比的数学表达式。数值结果表明，文中提出的含有SMA约束层的SMA纤维叠层复合材料的集成阻尼设计方法，是一种有效的阻尼增强方案。     

压电柔性梁裂缝损伤识别实验

针对压电柔性悬臂梁裂缝损伤检测与损伤程度识别问题,采用小波包分析和小波神经网络相结合的方法进行裂缝深度识别实验研究.利用小波包频带能量谱构造柔性悬臂梁裂缝损伤指标,即能量比相对变化量的H2范数,并建立压电柔性梁裂缝损伤实验装置.激励柔性梁的振动,记录两路压电传感器采集的振动信号,进行小波包分解并计算损伤指标.将这些损伤指标进行组合,作为小波神经网络的输入特征参数,进行裂缝深度即损伤程度的识别.实验结果表明:能量比相对变化量的H2范数对柔性梁的裂缝损伤敏感,对测试噪声不敏感;采用的小波神经网络可以精确识别柔性梁的裂缝深度.     

基于改进应变能密度法的电动轮自卸车车架焊缝疲劳寿命预测

针对复杂载荷作用下焊接结构应力应变响应出现非完全封闭而交叉的现象,考虑封闭环以外的塑性应变能密度,提出了一种改进的应变能密度计算方法。通过设计制作对接接头试验试件,开展了焊接接头机械性能和疲劳试验研究,获取了Ramberg|Osgood方程参量并构建了基于总应变能密度的疲劳损伤模型。建立了电动轮自卸车车架有限元模型,开展了车架焊缝多载荷步非线性有限元分析。结合新方法和数值模拟得到的应力应变响应计算危险点各应变能密度,依据拟合的疲劳损伤模型进行寿命预测,计算结果与实际失效位置和开裂时间吻合较好。     

三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化

利用声发射技术,对三维编织C/SiC复合材料在拉伸过程中损伤发展、演化进行了实验研究。实验采集了三维编织C/SiC复合材料拉伸过程的声发射信号。运用多参数分析法,分析了三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤的声发射特性,宏观上揭示了材料拉伸损伤的发展、演化过程和规律。研究结果表明三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤演化可被分为两个主要阶段,损伤初始阶段和损伤严重阶段。     

基于应变能量分布变化的大跨桥损伤识别

为满足结构在线健康监测大量数据快速计算的要求,以测试的应变信号为基础,探究结构在不同输入下的损伤识别方法.该方法在传统的以曲率模态为基础的能量损伤指标理论上,提出基于应变能量分布变化的损伤指标法(DIM),通过损伤前后结构的响应求出结构各单元的相对应变比能,获得各单元的DIM,进而根据其峰值位置和大小判别结构损伤位置与损伤度.采用该方法对一大跨斜拉桥进行数值分析,结果表明,该方法能够准确地识别出结构的损伤位置,且对结构在损伤前后受不同激励作用的情况均有效,抗噪声污染能力较强.     

FATIGUE LIFE PREDICTION THEORY OF COMPOSITE LAMINATES AND EXPERIMENTAL VERIFICATION

According to traditional phenomenological fatigue methodology and modem continuum damage mechanics theory, dual fatigue cumulative damage rules to predict fatigue damage formation and propagation lives of the notched composite laminates are presented. A 3-dimensional damage constitutive equation of anisotropic composites is also established. Damage strain energy release rate is interpreted as a driving force of the fatigue delamination damage propagation. A new damage evolution equation and a damage propagation σa-σm-N surface (stress amplitude-mean stress-life surface) are derived. Hence, using the method above, the fatigue life of composite components can be predicted. Finally, theoretically predicted results are compared with experimental data. It is found that the deviation of theoretic prediction from experimental results is about 22%.