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应变模态分析在机械结构损伤检测中的应用

作　者: 王锋
导　师: 熊晓燕
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 结构损伤检测应变模态工作模态环境激励模态参数识别
分类号: TH165.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 140次
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内容摘要

机械结构在使用过程中,将会受到正常工作载荷的作用以及各种突发性外在因素影响而出现局部损伤。当局部损伤积累到一定程度时,会导致整体结构的突然失效。对于重要结构,损伤的发生以及机械结构的失效将引起重大的安全事故和经济损失。因此,为保证机械结构的安全与系统的正常工作,需要定期或在线对机械结构进行损伤检测,尽早地发现损伤发生的位置和程度,对结构实时进行修复或改进,避免灾难性事故的发生。本文从工程实际应用出发,将应变模态方法与工作模态理论相结合应用于机械结构的损伤检测中。具体研究过程如下：1、通过分析结构损伤识别方法的研究现状和存在的问题,结合具体研究对象对应变模态分析方法做了详细的研究。2、通过间接损伤诊断数值仿真、实验研究,得出损伤位置、程度对模态参数(频率、阻尼、振型)的一般影响规律。本文以应变模态振型和应变模态差为损伤识别指标对悬臂梁损伤进行了有效的识别。应变模态振型对非模态节点损伤非常敏感,尤其是对损伤发生在某阶模态峰值区附近时。在损伤附近应变模态发生突变,并且突变程度随损伤量的增加而增大。3、由加速度信号推算应变模态。根据材料力学纵应变理论,得出应变与位移的关系。位移信号可以由加速时信号经两次积分得到。从加速度信号推导出应变模态,并从误差的角度分析了这种方法的可行性。计算过程中主要误差来源为两测点信号相减过程中的相位误差。为了减小这种相位误差,提出了一种基于最小方差的处理方法,并通过实验验证了这种方法的可行性。该方法可以使以后的测试及诊断更加方便有效。4、将应变模态与工作模态综合运用于结构的损伤检测中。本文将应变模态和工作模态相结合,阐述了应变工作模态的基本原理及频域参数识别方法。针对应变模态与工作模态相结合的研究方法提出新的研究路径,并通过悬臂梁实验验证了这种方法的可行性总体来说,本文将应变模态分析方法和工作模态的基本理论应用于机械结构的损伤检测中,通过理论的分析推导和实验验证,对所提方法的可行性和有效性进行了分析研究。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11-12
  1.2 国内外研究现状及动向  12-17
    1.2.1 结构损伤识别方法的研究现状  12-15
    1.2.2 结构损伤识别中存在的问题  15-16
    1.2.3 应变模态技术的研究现状  16-17
  1.3 本文主要工作  17-18
    1.3.1 主要研究内容  17-18
    1.3.2 论文中的创新点  18
  1.4 本章小结  18-19
第二章基于振动的模态分析技术  19-33
  2.1 模态分析理论  19-22
    2.1.1 模态分析基本过程  19-21
    2.1.2 模态分析技术的应用  21-22
  2.2 应变模态原理  22-27
    2.2.1 应变响应模态模型推导  22-24
    2.2.2 应变模态振型之间的正交性  24-25
    2.2.3 应变频响函数(SFRF)矩阵及其特点  25-26
    2.2.4 瞬态应变响应预测模态模型  26-27
  2.3 应变模态与其他模态的关系  27-29
    2.3.1 应变模态与位移模态的关系  27-28
    2.3.2 应变模态与曲率模态的关系  28-29
  2.4 获取应变模态的方法  29-31
    2.4.1 应变模态实验方法  29-30
    2.4.2 应变模态测量技术  30-31
  2.5 本章小结  31-33
第三章结构应变模态损伤识别有限元数值仿真分析  33-55
  3.1 有限元模态分析  33-35
  3.2 梁弯曲振动分析  35-36
    3.2.1 梁的弯曲振动微分方程  35-36
    3.2.2 梁的自由振动与模态  36
  3.3 悬臂梁自然模态计算  36-38
  3.4 悬臂梁损伤位移模态与应变模态数值仿真分析  38-54
    3.4.1 悬臂梁有限元模型  38-40
    3.4.2 计算结果  40-49
    3.4.3 结果分析  49-50
    3.4.4 应变模态差  50-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章应变工作模态分析技术  55-67
  4.1 工作模态分析技术概述  55-56
  4.2 应变工作模态参数识别  56-62
    4.2.1 应变工作模态参数频域识别方法  56-59
    4.2.2 应变工作模态参数时域识别方法  59-62
  4.3 应变实验分析  62-65
    4.3.1 应变计粘贴方位误差分析  62-63
    4.3.2 应变测量中的干扰与防干扰措施  63-64
    4.3.3 动态应变测量的标定  64-65
  4.4 本章小结  65-67
第五章应变工作模态实验  67-93
  5.1 实验前的准备  67-73
    5.1.1 试件加工  67-68
    5.1.2 传感器布置及应变片的粘贴  68-70
    5.1.3 实验设备及实验台搭建  70-71
    5.1.4 实验中注意事项  71-72
    5.1.5 实验过程步骤  72-73
  5.2 信号预处理  73-75
  5.3 位移模态参数损伤识别  75-79
  5.4 应变模态参数损伤识别  79-91
    5.4.1 悬臂梁损伤识别  85-88
    5.4.2 简支梁损伤识别  88-91
  5.5 本章小结  91-93
第六章结论与展望  93-97
  6.1 结论  93-94
  6.2 主要创新点  94
  6.3 展望  94-97
参考文献  97-103
致谢  103-105
攻读硕士学位期间发表的论文  105

应变模态分析在机械结构损伤检测中的应用

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