基于曲率模态的复合材料层合板分层损伤检测方法研究

基于振动信号应用曲率模态方法对复合材料层合板分层损伤进行损伤检测。首先由数值模拟所得不同状态下损伤以及未损伤层合板振动特性参数计算其振型曲率和均布载荷曲面值曲率;然后基于损伤与未损伤层合板曲率值的差分值建立损伤识别指标进行分层损伤检测。最后,为解决差分算法对结构未损伤模型参数的依赖性问题,引用曲面光滑算法和曲率模态变化率法直接对损伤结构进行损伤提取。结果表明,运用曲率参数差分法可以很好地识别各类损伤,且对于多层层合板来说损伤所处层的位置会影响损伤指标值的大小。曲面光滑算法和曲率模态变化率法均可不依赖于未损伤结构参数识别各类损伤,且曲面模态变化率法的检测效果优于曲面光滑算法。     

复合材料板分层损伤识别的曲率模态差法

以单侧固支的分层损伤复合材料层合板为研究对象,利用有限元分析软件ABAQUS得到层合板结构振型位移分析数据,针对分层损伤进行了曲率模态分析。分析结果表明,在层板内一个区域存在分层损伤的情况下,其振型与频率的变化非常小,难以用于判断损伤位置,但分层损伤区域的曲率模态差值变化显著,采用曲率模态差法可以对层合板结构分层损伤位置进行准确判定。     

AGS结构的损伤定位仿真

为了检测先进复合材料格栅结构(AG S)的损伤所在位置,提出了通过计算结构在损伤前、后模态曲率差的方法,来进行计算和分析。建立了格栅结构在有约束条件下的有限元模型,通过AN SY S中的模态分析得到模态振型位移值,计算了结构损伤前、后的模态曲率差,通过这一指标对结构的损伤进行辨识,并分析了采用多阶模态的计算效果。结果表明,通过第1阶模态振型模态曲率差的计算,可对单损伤状况做出有效的检测;对于多损伤工况,需使用前3阶模态的曲率差进行分析,才能有效检测损伤的位置。     

基于模态参数敏感性分析的多层建筑损伤定位

将多高层房屋结构简化为周期剪切模型,运用周期结构原理和波导纳方法推导出当结构发生损伤时结构振型及其振型斜率和振型曲率的具体表达式,进而得到了周期结构模态参数的敏感性。分析表明这些振动参数的敏感性与结构参数无关,即不需要知道原始结构的物理参数就能确定敏感性系数,并以20层建筑结构为例说明了仅用一阶振型斜率和振型曲率就可以精确地进行损伤定位。     

基于间隔平滑法的复合材料分层损伤识别研究

利用有限元分析软件ABAQUS建模计算,获得层合板结构的节点振型数据,然后计算得到结构的各阶模态曲率,利用间隔平滑法计算损伤指标,最终实现对分层损伤的识别。与大多数基于振动的损伤识别方法不同,间隔平滑法不需要结构完好状态时的数据或是数值计算结果作为基准,只依赖于损伤状态的振型数据就可以实现对损伤位置的准确识别,同时还能对损伤尺寸、损伤程度的相对大小做出判断。     

基于最终失效强度的层合板结构的鲁棒优化分析

采用有限元方法分析复合材料层合板结构的最终失效强度，并以此对结构进行优化和鲁棒优化分析。层合板结构同时承受面内和面外载荷，每个单层板考虑基体失效和纤维断裂两种失效模式。当某一单层失效后采用比率退化法计算结构新的刚度，然后重新进行结构分析，直到求得结构的最终失效强度。以纤维方向角和层合板厚度作为设计变量，最终失效强度为目标，对结构进行优化。在此基础上，考虑了层合板结构的鲁棒优化分析。     

基于模态柔度与有限元模型修正的海洋平台结构损伤识别研究

结构模态特征的改变直接揭示了结构的损伤,基于模态柔度较频率、振型对结构损伤的识别更为敏感的特点,文中提出了一种基于模态柔度和有限元模型修正相结合的结构损伤识别方法.文中以某海上导管架平台为例,在设定的3个损伤样本下建立了导管架21-DOF测试模型,获得该模型低阶结构模态参数,通过模态柔度差的方法进行结构损伤层定位;然后通过21-DOF测试模型与2454-DOF导管架有限元模型的自由度匹配,采用贝叶斯的有限元模型修正方法,对某导管架结构损伤层中具体损伤杆件的损伤程度、损伤位置进行识别.其识别结果与原设定的3个损伤样本基本一致,表明了该方法的正确性和有效性,可应用于海上导管架结构损伤检测与评价.     

基于PWAS的层合板导波传播特性和损伤响应FEM分析及试验验证

导波无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术由于适用范围广、检测速度快等优势,已成为结构安全性检测的重要技术手段之一。不过,导波在各向异性介质中的传播表现为频散特性与波传播方向的关联性、多模态特性与各向异性的相互作用以及不同模态与损伤的相互作用。导波在复合材料无损检测应用中的复杂性对检测技术和检测方法提出了更高的要求,所以对碳纤维复合材料层合板中的导波传播特性和损伤响应进行分析具有十分重要的意义。文中采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对不同碳纤维增强聚合物基（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）层合板中的导波传播特性和各模态波与损伤的相互作用进行了分析。首先根据群速度、波长等参数建立有限元模型,并在边界设置阻尼递增吸收区域来弱化边界反射波的干扰;然后分析基于压电晶片有源传感器（Piezoelectric Wafer active Sensors, PWAS）的不同层合板中导波传播差异,之后在结构中引入损伤来分析不同模态波与不同损伤的相互作用;最后通过试验分析和验证有限元仿真的准确性。     

复合材料层合板阻尼特性有限元数值模拟

应用耗散能原理建立了复合材料层合板的阻尼预测分析模型,对复合材料层合板进行三维有限元模态分析,求出各个模态下的应力、应变分量。根据模态分析结果,从单向复合材料的阻尼性能参数出发,利用层合板应变能、耗散能和结构模态阻尼的关系求出各个模态对应的模态阻尼损耗因子。利用该方法,分别计算了单向层合板和对称层合板的结构模态阻尼损耗因子。数值计算结果与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性,该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。     

基于分层理论的层合板结构声辐射模态传感器设计

在低频时控制振动板结构的声辐射模态幅值是降低结构辐射声功率的一种有效策略。提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量复合材料层合板结构声辐射模态幅值。通过聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)传感器阵列输出信号设计加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为所需结构声辐射模态幅值。加权系数取决于复合材料层合板结构振动模态表达式。由于复合材料层合板结构复杂动力学特性,通过分层理论结合有限元法得到离散结构模态值,并对有限元离散结构模态进行最小二乘法的曲线拟合,从而得到层合板结构振动模态表达式。数值结果表明该方法计算层合板结构模态以及PVDF声辐射模态传感器设计是可行的。对试验数据进行分析比较。     

复合材料结构损伤联合定位法试验研究

提出了复合材料结构损伤联合定位法,该法需首先获得复合材料结构在随机激励下的振动响应信号,计算结构的互相关函数幅值向量,通过对损伤结构的互相关函数幅值向量进行光滑拟合作为参考向量,再对损伤情况下的互相关函数幅值向量和参考向量分别进行连续小波变换,得到各自的小波系数,进而求得小波系数差的模,根据小波系数差的模的极值进行损伤的定位。该方法无需进行结构建模和模态识别,在无完好结构信息的情况下就可准确进行损伤定位。最后,还通过蜂窝夹层梁和玻璃纤维层合板的损伤检测试验,验证了该方法的有效性。     

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。     

基于Guyan缩聚与均布载荷面曲率的柱壳损伤识别

针对工程中采用模态测试对火箭柱壳结构的蒙皮进行损伤识别时,存在高阶模态较难获取和实际结构测点自由度与模型自由度不匹配的问题,提出基于Guyan缩聚与均布载荷面曲率的损伤识别方法。通过对柱壳蒙皮有限元模型的2次Guyan缩聚,将其平动和转动自由度缩聚到法向上,并以法向的模态振型作为输入参数,构建基于均布载荷面曲率的损伤指标,数值分析了该指标对火箭柱壳蒙皮的损伤识别效果。结果表明：缩聚后的模型能够完全满足工程需求;所提方法只需低阶模态参数,不但可以识别出柱壳结构单损伤和多损伤位置,而且能够给出损伤程度的相对大小。该方法对工程实际中火箭蒙皮的损伤识别具有重要的参考价值。     

铺设角度对层合板结构声功率的影响分析*

针对层合板结构铺设角度对前二阶声辐射模态幅值和辐射声功率的影响进行分析。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的铺设角度与振动速度信息之间关系。通过声辐射模态理论,以某12层层合板结构为例,研究固定边界条件下的层合板辐射模态数、对称铺设角度、单向铺设角度以及激励力位置对声辐射模态幅值和辐射总声功率的影响。计算结果表明,在相同角度下,对称铺设层合板结构最大声功率值要小于单向角度铺设层合板结构最大声功率值;另外在低频时,对层合板结构辐射声功率起主要贡献的是前两阶辐射模态。并以某16层零度铺设的固定边界条件下的层合板结构为例,对复合材料层合板结构的声辐射模态幅值及声功率进行试验分析。     

基于小波分析的简支梁桥损伤识别

提出了基于小波子带信号能量曲率变化的损伤识别方法。分别对完好和损伤状态下结构的振动响应进行二进离散小波变换,通过信号子带分解与重构将响应分解到不同频带,使叠加的模态响应分离。定义了信号相对能量曲率差损伤指标,利用该指标对结构的损伤进行识别定位。应用此方法对一简支梁桥进行损伤数值分析,结果表明:二进离散小波变换可以对结构振动响应中叠加的多阶模态信息进行有效分离;信号相对能量曲率差指标可以对损伤进行有效识别,且不受激励位置及荷载大小影响。最后通过模型实验验证了该方法的正确性及可行性。     

振型曲率在板类结构动力检测中的应用

以四边简支方形弹性薄板为研究对象，通过数值计算得到板损伤前后的多阶模态参数，进而得到板面内两个方向的位移振型曲率并用于板的损伤检测研究。结果表明：当布置有足够数量的振型测点时，振型曲率及板损伤前后的振型曲率差均可用于板损伤的探测与定位，并能大致判断损伤的程度；当振型测点间距过大，或测点偏离损伤区域时，均可能导致检测的失败。     

粘性系数对复合材料层合板的渐进损伤影响

在渐进失效分析法的基础上,为研究粘性系数(η)对层合板结构最终失效的影响,以含有中心贯穿式孔裂纹的E-glass/HT907复合材料层合板为研究对象.采用工程上使用较为普遍的Hashin准则作为结构失效单元的判别依据,结合各种损伤模型,对层合板结构的破坏机理、材料失效后的损伤扩展过程以及结构发生破坏后的最终失效载荷进行了合理阐述.利用此方法探讨了不同粘性系数影响下对复合材料结构的极限承载力的影响,同时可以清楚的了解到材料结构的局部和整体应力损伤分布情况以及发生损伤后载荷的重新分布和损伤扩展途径,为基于有限元复合材料层合板结构的极限承载力分析、设计提供参考.试验表明,此预测结果与试验结果基本吻合.     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板，首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数，其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程，最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明，平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好，验证多尺度模型的有效性；搭接长度在5~15 mm时，随着搭接长度的增大，单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大，并趋于稳定，而搭接剪切强度逐渐减小；单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效；相同搭接长度下，与单搭胶接结构相比，双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型，提出一种平纹机织复合材料多尺度模型，对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

基于曲率模态和小波变换的结构损伤识别方法

在结构曲率模态基础上,提出了一种基于小波变换的结构损伤检测和定位方法.利用双正交小波函数对损伤前后结构的曲率模态进行小波变换,通过损伤前后小波变换系数的变化和分布情况建立了结构损伤指标,可判定损伤存在,确定损伤位置和估计损伤程度,并通过一两端简支梁的数值模拟对该方法进行了验证.     

复合材料风电叶片细观失效准则及其损伤演化

针对复合材料风电叶片在实际使用过程常常出现损伤的问题,提出一种基于细观失效准则的复合材料细观损伤分析模型。采用通用单胞模型(Generalized method of cells,GMC)对具有周期性的单向复合材料层合板进行细观建模,并且引入基于Huang模型的细观失效准则和刚度退化准则,从细观层面上分别对纤维和基体的失效模式进行表征,对4种单向复合材料层合板的渐进损伤过程进行数值模拟。在试验验证过程中,先对两种不同状态(含损伤和无损伤)的复合材料风电叶片进行了静力加载试验,采用光纤光栅传感器监测损伤对风电叶片应变的影响;然后通过典型的单向层合板的拉伸破坏试验得到的应变曲线来验证本算法的有效性。结果表明:当复合材料风电叶片中存在损伤时,将降低其承载能力,并且应变值变化明显,可以通过应变来监测叶片的健康状态;提出的模型能够通过得到的应变曲线准确地预测单向复合材料层合板的力学性能和破坏强度值。