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《太原理工大学》 2009年
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裂纹结构的动力学特性分析和实验验证

魏玉宏  
【摘要】: 一般而言,结构中如果存在缺陷或裂纹,常会改变结构的物理特性,如质量、阻尼和刚度等,导致结构的动力学特性发生变化。所以,要对结构进行整体性的检测和评估,确定结构是否有损伤存在,进而判别损伤的程度和位置,以及结构目前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势,就需要分析者对裂纹结构的动力学特性进行研究。然而,进行裂纹结构动态特性的研究一直是动力学研究领域的难点之一,虽然国内外学者对此已作过许多努力,提出不少裂纹结构模态参数的识别与分析方法,但至今仍没有一套比较成熟的理论与方法。 本文基于断裂力学理论、能量原理、振动理论、有限元以及试验模态分析方法等,对裂纹悬臂梁动力学特性的有限元分析及模态分析试验进行研究。全文的研究内容及结果如下: 1.以裂纹悬臂梁为研究对象,考虑裂纹位置Lc的影响,在复合载荷条件下,利用断裂力学理论和能量原理,导出含裂纹单元体的刚度矩阵,然后装配形成裂纹结构总体刚度矩阵。用此模型建立裂纹梁运动控制微分方程,这样,对于含裂纹结构可采用与无裂纹时同样的分析方法。方程建立后,使用标准的有限元程序,采用子空间迭代算法来求解广义特征值问题。我们将这种方法定义为“法1”。根据裂纹位置和深度的不同,共分成24种情况进行仿真计算,得到不同长度的裂纹,在不同位置时各阶频率的变化和模态振型,研究裂纹对梁振动响应的影响。 2.基于大型通用有限元分析软件ANSYS,采用三维裂纹实体建模方法建立高精度的有限元模型。在完成含三维穿透裂纹结构有限元模型的创建后,即可建立裂纹梁的运动控制微分方程,利用振型叠加法求解方程,通过Block Lanczos法来提取特征值和特征向量。我们将这种方法定义为“法2”。根据裂纹位置和深度的不同,共分成24种情况进行仿真计算,得到不同长度的裂纹,在不同位置时各阶频率的变化和模态振型,研究裂纹结构的动态特性,分析模态参数随裂纹变化的情况。并就不同的单元类型和网格密度对完好梁固有频率的影响进行分析。 3.搭建裂纹悬臂梁模态分析实验台,基于LMS Test.Lab软硬件,根据裂纹位置和深度的不同,共分成5种情况进行模态实验,通过实验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别,得到裂纹梁的固有频率和模态振型。我们将这种方法定义为“法3”。并就传感器布置和激励位置选择对裂纹悬臂梁模态振型的影响进行分析。 4.对比三种方法在模态频率和振型方面的差异。可知:实验结果与理论计算结果吻合较好,其各阶频率的求解精度“法1”明显优于“法2”;“法2”和“法3”在求解模态振型方面明显优于“法1”。 研究结果表明,本文采用的理论计算和试验分析方法达到了对裂纹悬臂梁进行动态特性分析的要求,其方法为工程实际问题的分析提供了参考。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB122

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【参考文献】
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