[发明专利]一种基于模态应变能的新型结构刚度损伤定位方法

说明书

技术领域

本发明属于结构建模及评估领域，特别是一种基于模态应变能的新型结构刚度损伤定位方法。

背景技术

结构损伤前后模态应变能变化是较常用的损伤识别算法之一，该方法是基于如下的假设：将结构分解为一系列单元，计算结构损伤前后每个单元的模态应变能变化，而部分模态振型在结构损伤附近发生局部突变，故模态应变能在结构中的分布将发生变化，所以可以通过比较每一单元模态应变能的变化来进行结构损伤识别。

但在实际运用中发现，即使在测量精度足够高，并正确计算的情况下，每阶模态应变能对损伤进行敏感程度依然相差很大。如果将各阶模态应变能变化结果做平均，对损伤敏感的模态识别精确度将会被不敏感模态所降低；如果对各阶模态应变能分别依次判断，则会得到很多错误的损伤单元。

如何通过各阶模态应变能的变化来确定损伤的单元，是该方法从理论走向实际应用中必须解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，公开了一种基于模态应变能的新型结构刚度损伤定位方法，能够准确定位模型中存在损伤的单元，并为后续基于模型的结构状态评估、剩余寿命计算等工作提供了有力保证。

本发明公开了一种基于模态应变能的新型结构刚度损伤定位方法，具体步骤如下：

1)建立分析对象的有限元模型，在有限元软件中将结构划分为单元结构；

2)数据采集：分析结构中的易受损部分，设计传感器排布方案，保证测点与有限元模型的节点相重合，后测量并记录所述分析对象各点的振动，并汇总求得所述分析对象的各阶模态振型；

3)结构有限元分析及模型修正：基于有限元求解器计算模型的各阶模态振型的频率与振型，以测得的前5阶模态频率为目标值，应用基于模态频率的灵敏度修正方法，对模型的初始物理参数进行修正，并计算各单元的局部刚度矩阵；

4)各单元刚度贡献值的计算：将相邻单元间的连接点记为节点，将所述各单元的局部刚度矩阵按照节点的位置，装填入整体模型的刚度矩阵，从而获得各单元的刚度贡献值；

5)模态应变能的计算：通过所述整体模型的阵型计算得到有限元模型以及实验模型的模态应变能(Modal Strain Energy，MSE)；

6)根据所述单元各阶模态应变能向量得到结构刚度损伤位置。

所述有限元模型以及实验模型的模态应变能经由下式计算得出：

其中，{Φ_r^a}、{Φ_r^e}分别表示有限元、实验模型第r阶的模态振型，[K]_j表示第j个单元的刚度贡献值，MSE_jr^a、MSE_jr^e分别为有限元、实验模型第j个单元的第r阶模态应变能。

进一步的，步骤6)中，为模型中每个单元定义其模态应变能向量，所述模态应变能向量由此单元各阶模态应变能按照模态阶次排列而成，即：

MSEvec_j^a＝{MSE_j1^a,MSE_j2^a,...,MSE_jr^a} (3)

MSEvec_j^e＝{MSE_j1^e,MSE_j2^e,...,MSE_jr^e} (4)

其中，MSEvec_j^a,MSEvec_j^e分别为第j个单元的有限元、实验模态应变能向量，因此定义新的结构刚度损伤定位方法如下：

MSESF_j即为第j个单元的新型结构刚度损伤定位指标，体现分析对象的刚度损伤位置，称为第j个单元的模态应变能比例因子。

进一步的，所述的步骤1)中的单元结构为板单元或实体单元。

进一步的，所述的步骤2)中所选的振型测点数量根据实际情况调整，在被测物体的主振方向上测点数量为单数，且左右对称分布，使其能以较少的传感器数量完备描述被测物体的结构振型。