[发明专利]均匀荷载面曲率的简支梁裂纹损伤识别方法

说明书

本发明公开了一种均匀荷载面曲率的简支梁裂纹损伤识别方法，步骤如下：通过测试分别获得简支梁损伤前后的模态参数，由频率和振型分别计算柔度矩阵；对简支梁施加均匀荷载，将均匀荷载与结构损伤前后的柔度矩阵差相乘，得到相应的位移差；计算位移差的曲率得到均匀荷载面曲率差，基于线性插值理论，建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系，实现裂纹位置的精确定位；基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系，建立均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法，通过串联等效线刚度模型，建立裂纹高度与均匀荷载面曲率的关系，实现裂纹高度的定量。本发明可对简支梁裂纹位置和裂纹高度进行精确定位、定量，应用于简支梁结构的损伤程度评估。

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，涉及梁结构无损检测技术，具体涉及一种均匀荷载面曲率的简支梁裂纹损伤识别方法。

背景技术

结构内部缺陷在复合荷载作用下发展成裂纹，裂纹的扩展往往造成重大灾难性事故，因此裂纹的检测与识别对结构的正常使用和灾难预防具有重要意义。结构中裂纹的出现引起局部刚度的损失，一定程度上改变系统的动力响应，导致结构的固有振动频率和模态振型发生变化，因此利用损伤前后模态参数的变化来进行结构的裂纹损伤检测受到广泛关注。进行裂纹梁的振动分析，常用的裂纹处理方法有：等效截面法、集中柔度法、一致裂纹梁理论。其中等效截面法与实际裂纹存在差异，不具有裂纹的特性。一致裂纹梁理论的基本思想是寻求一个连续的裂纹分布函数反应裂纹导致结构刚度的变化，将裂纹看成一个变惯性矩的连续系统，其理论推导和振动方程求解相当复杂。基于集中柔度的模型，利用无质量的扭转弹簧模拟裂纹，依据断裂力学方法计算弹簧的等效刚度，用于裂纹欧拉-伯努力梁振动分析，具有理论成熟的特点。裂纹梁的振动分析由原来的单裂纹、双裂纹发展成任意数目的裂纹梁。裂纹作为损伤的一种典型形式，针对损伤识别的方法同样适合裂纹的识别。马一江等采用无质量的扭转弹簧模拟梁的裂纹，基于传递矩阵的方法求解含多条裂纹梁的固有频率和振型，分析裂纹数目、裂纹位置、裂纹深度对裂纹梁固有频率的影响，基于Paris公式，对裂纹进行振动疲劳分析，研究在谐激励作用下裂纹的疲劳寿命。陈岩等利用无裂纹梁的一阶频率的1/4和二阶频率的1/4的简谐激励频率对悬臂裂纹梁进行激振，激振频率对应的幅值随裂纹参数的变化而变化，提出利用曲面拟合技术绘制幅值变化曲面，利用激励力的幅值与拟合曲面相交进行裂纹位置和深度的识别。该方法依赖于准确的有限元模型，针对不同的结构和几何参数，需要建立一系列损伤情况的模型匹配，不利于实际应用。张佳文采用无质量的扭转弹簧模拟梁的裂纹，利用导纳的概念建立裂纹处的变形协调条件，建立裂纹的振动方程，利用固有频率对裂纹梁进行分析，建立裂纹的相对刚度、缺陷位置与固有频率的函数关系，利用固有频率的前三阶特征曲线的交点实现裂纹的定位。聂彦平等采用曲率模态差和模态曲率差对含两条裂纹的固支梁进行损伤识别，并利用模态的四阶导数探讨基于集中柔度模型的悬臂裂纹梁的损伤检测。Wang和Qiao利用广义的分形维数、简化的间隙平滑方法分别与均匀荷载面曲率相结合的方法对基于集中柔度模型的悬臂裂纹梁进行损伤定位，结合试验研究表明均匀荷载面曲率是一个敏感的损伤指标。

然而，目前的方法主要为进行裂纹位置的识别，鲜见采用结构模态参数对裂纹高度进行定量的方法。

发明内容

本发明针对现有模态柔度曲率损伤指标不能对裂纹高度进行定量检测的不足，提供一种均匀荷载面曲率的简支梁裂纹损伤识别方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该均匀荷载面曲率的简支梁裂纹损伤识别方法，包括如下步骤：

(1)通过测试分别获得简支梁损伤前后的模态参数，由频率和振型分别计算模态柔度矩阵；

(2)对简支梁施加均匀荷载，将均匀荷载与结构损伤前后的柔度矩阵差相乘，得到相应的位移差；

(3)计算位移差的曲率得到均匀荷载面曲率差，基于线性插值理论，建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系，实现裂纹位置的精确定位；