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船体局部结构的损伤识别与检测研究

李晓飞  
【摘要】: 船舶结构长期在恶劣的海洋环境里工作,在海水腐蚀和强烈的波浪载荷作用下,局部很容易发生损伤,如果损伤未能得到及时的发现和处理,任由其扩展到足以影响结构整体承载能力的程度,船舶结构就面临着失效的危险。一旦船舶在海上发生失效事故,不但会造成巨大的人员财产损失,还会严重影响周边海域的自然环境,乃至造成海洋生态灾难。研究船舶结构的损伤检测问题,建立行之有效的检测方法,在损伤尚处于弱小状态时即能发现之并采取有效措施对其进行处理,维持船舶结构的安全运行,具有积极的现实意义。 本论文主要研究了船体中具有代表性的几种局部结构的损伤检测问题,板、梁和板架是本文的主要研究对象,考虑到复合材料在船舶结构上的应用逐渐增多,本文还讨论了FRP三明治结构的损伤检测问题。基于小波变换和模态分析的损伤检测法是本文的研究重点,对其它的一些方法也进行了讨论。 对于梁结构,首先研究了基于静力学分析的裂纹损伤检测问题,建立含裂纹悬臂梁的力学模型,通过理论分析明确裂纹作用等效为附加柔度的力学意义,得到了梁在悬臂端垂向力作用下的挠度曲线方程;引入惯性矩系数的概念,借助有限元工具建立附加柔度与惯性矩系数之间的关系,提出了通过测量梁上两点挠度检测裂纹位置及评估损伤程度的方法,并通过一个含裂纹梯形截面悬臂梁的算例验证了此关系式和检测方法的准确性。然后研究了基于小波变换和模态分析的检测法,以损伤梁的模态为分析对象,对其进行连续小波变换,根据得到的小波系数的模值分布状况和利用小波系数计算得到的模态信号的点态Lipschitz指数都可以反映损伤的位置信息,而对模态信号进行离散小波分解得到的细节分量同样可以用来确定损伤的位置。文中还讨论模态信号零值点对Lipschitz指数的干扰问题、离散小波分解的最高阶数的确定方法以及最大采样间距的确定问题。利用小波工具研究板结构的损伤检测问题时,讨论了局部腐蚀和局部贯穿裂纹两种损伤状况。本文采用两步检测法,先对板的位移模态进行大间距二维采样,对得到的粗模态信号进行二维小波分解,然后通过分析对角细节分量初步确定损伤的区域,进而在初步损伤区域内沿x向和y向分别对模态进行加密一维采样,计算细模态一维分量的Lipschitz指数值,并根据Lipschitz指数分布状况确定损伤的形式和具体位置。本文还研究了基于应变分析的板结构腐蚀损伤的检测方法,从应变出发建立了应变能变化率和剩余弯矩指数,利用这两个参数实现对腐蚀损伤的定位。 板架是船体上的常见结构形式,本文对这种结构的损伤检测问题进行了研究,考虑到板架结构的复杂性,重点讨论了损伤位置的确定问题。对于简单板架结构,主要考察骨材和带板之间的焊缝裂纹和骨材腐蚀两种损伤。采集板在骨材处的模态信号,对其进行连续小波变换,根据小波系数的模的分布状况确定损伤段的位置,并通过分析损伤段梁的应变的分布状况判断损伤的类型。对于更复杂的交叉板架结构,考察板格腐蚀损伤与焊缝裂纹损伤两种工况,采用逐步分析的办法,先根据结构的加速度频响函数判断结构是否存在损伤,接着利用应变能相对变化率作为指标参数,考虑采样控制点的分布,分别搜索板格腐蚀损伤和焊缝裂纹损伤的损伤区域。对于焊缝损伤工况,在初步损伤区域内对局部模态进行采样,对采样信号进行离散小波分析,最终确定焊缝的准确位置。 在普通钢制梁和板的基础上,考察裂纹损伤和FRP三明治结构特有的脱层损伤,利用小波工具对FRP三明治梁和三明治板的模态进行分析,判断损伤的位置和范围,并对上面板脱层和下面板脱层两种工况进行了比较。研究发现,对于FRP三明治结构,基于离散小波分析的检测方法比基于连续小波分析的检测方法具有更高的准确性和敏感度。


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