[发明专利]一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法

说明书

本发明公开了一种利用曲线转角指标评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，该方法利用结构在低频状态下呈现静态特性，通过实测数据与基于实测数据构造的挠度数据之差的基础上，采用曲线转角指标来进行刚度薄弱环节的评估。该方法基于动力学测试的振动实验数据，需要获取每个测点的低频下的响应数据和系统在各阶模态下的模态参数。然后，提出利用现代控制理论中的状态空间方法进行系统重构来消除在测试过程中的噪声干扰以及获取系统低频信号使得在工程应用成为可能。

技术领域

本发明提供了一种基于振动测试数据，利用曲线转角这一新指标来评估悬臂梁结构刚度薄弱环节的新方法，属于机械振动测试领域。

背景技术

悬臂梁结构作为常用的结构形式存在各种应用场合，如飞机的固定机翼、航天器的太阳能帆板、机床的主轴部分等。由于各种生产加工中不利因素的影响以及在使用过程中的产生的损伤，悬臂梁结构不可避免的出现刚度不均和下降的情况，一些刚度薄弱的部位将导致结构无法正常的使用，甚至造成重大的经济损失。因此，对悬臂梁结构进行刚度薄弱环节识别成为亟待研究解决的一个重要问题。

在现有的各种识别技术方法中，采用最广泛的方法是利用结构动态测试的模态分析，模态参数中的固有频率、模态振型和曲率模态等可以作为衡量刚度变化的指标。在应用过程中，国内外许多专家和学者对桥梁的结构损伤识别进行过大量的研究，但究其本质是损伤会引起刚度的变化，刚度变换将导致模态参数发生变化。

基于频率变化的识别主要是损伤前后结构的固有频率会发生变化，以此为依据来判断结构局部刚度是否发生变化。学者Hearn和Agbabian通过结构固有频率变化平方比对结构损伤的定位进行研究,Zhaojun等探究频率对损伤的灵敏度，然而，固有频率是对整体动态特性的表征，即使能判断结构发生了刚度变换，但无法实现对局部损伤的定位功能。基于振型的损伤识别方法通过分析前后的振型变化情况来识别结构损伤，万小朋等对振型变化前后研究悬臂梁损伤的灵敏度和损伤位置检测，结果表明振型对局部损伤的位置和程度不敏感。利用曲率模态进行损伤识别，实质上是对各阶振型数据进行二次中心差分法运算求振型导数，局部损伤可以通过曲率变化显示出来。大量研究表明，曲率模态比固有频率和振型对结构局部损伤更为敏感。学者李德葆研究了曲率模态理论，刘义伦等通过曲率模态对桥梁进行损伤识别，研究表明，曲率模态损伤识别效果良好，但没有对损伤程度进行量化。最近国内外学者进一步提出模态柔度差、模态柔度改变率等损伤指标，曹晖等提出了模态柔度曲率差这一新指标，可以量化损伤程度，但并没解决噪声对识别结果的问题。董聪提出应变类结构动力学参数(应变、应变模态) 损伤指标，由于实际结构测试和仪器精度的局限，应变测试难以实现，因此学者只在理论上探讨或者数值仿真上。综上所述，利用固有频率进行损伤识别时，无法定位。振型变化法需要知道未损失前的模态参数信息曲率模态识别法可以有效定位，但无法对损伤程度进行量化，虽然模态柔度曲率差可以实现定位和量化的功能，但没有讨论噪音的影响以及实验验证。应变类参数损伤指标不能很好的进行工程实用。

所以，提出一种能够通过简单的分析实验数据并且能够抗噪音干扰的方法就能够将刚度薄弱环节的位置辨识出来并且量化刚度的大小情况是问题的核心，也是本专利的核心。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用测试数据的曲线转角的新指标来评估悬臂梁刚度薄弱环节的方法，该方法利用悬臂梁在低频状态下呈现静态特性，通过实测数据与基于实测数据构造的挠度数据之差的基础上，采用曲线转角指标来进行刚度薄弱环节的评估。该方法基于动力学测试的振动实验数据，需要获取每个测点的低频下的响应数据和系统在各阶模态下的模态参数。然后，提出利用现代控制理论中的状态空间方法进行系统重构来消除在测试过程中的噪声干扰以及获取系统低频信号使得在工程应用成为可能。