[发明专利]一种含裂纹梁结构单元损伤因子的等效方法

说明书

本发明公开了一种含裂纹梁结构单元损伤因子的等效方法，该等效方法包括以下步骤：1)通过应力应变场理论和有限元模型纯弯曲分析，获取含裂纹梁结构抗弯刚度(EI)沿梁长度方向的分布规律；2)通过一种积分等效计算方法，计算有限元模型单元等效抗弯刚度；3)通过单元等效抗弯刚度计算结构等效单元损伤因子。本发明的方法可以准确确定含裂纹梁在相应有限元单元处的等效损伤因子，适于单裂纹损伤和多裂纹损伤情况。该方法具有简单有效的特点，可以建立含裂纹梁结构损伤和单元损伤因子之间的关系，快速确定单元折减刚度。

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，涉及结构损伤因子计算，具体涉及一种含裂纹梁结构单元损伤因子的等效方法。

背景技术

对桥梁结构健康监测而言，结构损伤识别是其中一个研究重点，这类方法的重要意义在于提供结构损伤预警，避免服役结构发生重大灾害事故。

结构损伤识别方法通常可以归结为两大类，一类是无模型方法，一类是有模型方法。两种方法各有优缺点，结构损伤识别领域现有的方法都可以归入上述两类之一。无模型方法由于不需要建立复杂的有限元模型，基于测量数据提取相应损伤敏感特征，根据该特征的变化反映结构状态的改变实现损伤识别的目标。但由于有限元模型的缺失，现有大部分无模型算法只能实现损伤有无的判定，无法进一步实现损伤位置和程度的识别。有模型方法依赖于结构有限元模型的精度，可以实现至损伤程度的识别，具有非常重要的研究意义。

在有模型方法中，通常采用单元刚度折减模型描述损伤，以此衡量结构单元损伤程度。损伤因子向量是有模型方法中很重要的一个参数。在进行数值仿真的过程中，这种损伤模型在验证损伤识别算法有效性上发挥了重要作用。但由于实际结构中的损伤常以裂纹为主，这种损伤模型在描述该类损伤的时候，通常需要尺寸很小的有限元单元模型，否则容易高估单元损伤程度。

目前，部分学者致力于建立裂纹尺寸和单元刚度之间关系。Christides在1984年根据应力应变场模型，推导了简支梁结构对称裂纹尺寸和截面惯性矩之间的关系[Christides,S.,Barr,A.D.S..One-dimensional theory of cracked Bernoulli-Eulerbeams[J].International Journal of Mechanical Sciences,1984,26(11):639-648]。后续学者依据该理论，推导了单边裂纹情况下的关系，但由于理论结果过于复杂，难以应用到结构损伤识别中。中国专利(专利申请号：CN201710777296.1)公开了一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，该方法通过测量悬臂梁表面应变，并对悬臂梁自由振动方程组进行求解，最终确定裂纹数量、位置及深度。中国专利(专利申请号：CN201711331415.7)公开了一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法，该方法采用扭转弹簧进行裂纹描述，通过在裂纹位置和裂纹等效刚度的可能取值范围分别选取一系列的样本点，求解裂纹梁特征方程进而得到扭转弹簧刚度。该类方法难以建立裂纹尺寸和单元刚度之间的关系，无法实现单元刚度折减模型在实际中的应用，故急需一种简单实用的方法，用以描述裂纹参数和单元损伤因子之间的关系。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种含裂纹梁结构单元损伤因子的等效方法，通过其实施的具体步骤，建立裂纹参数和单元损伤因子之间关系，计算单元折减刚度，最终确定结构损伤位置和程度。由于计算简单、效果显著，本发明所提方法具有实际工程应用意义。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种含裂纹梁结构单元损伤因子的等效方法，所述的等效方法包括以下步骤：

S1、通过应力应变理论和有限元模型纯弯曲分析，获取含裂纹梁结构抗弯刚度EI沿梁长度方向的分布规律；

S2、通过积分等效计算方法，计算有限元模型单元等效抗弯刚度；

S3、通过单元等效抗弯刚度计算结构等效单元损伤因子。