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基于疲劳断裂的结构安全在线监测系统的研究

张国勇  
【摘要】:对飞机、舰船、桥梁等大型结构和系统来说,安全性是非常重要的指标。在设计阶段,通过设定各种载荷工况对结构进行疲劳和断裂分析,确定其服役寿命并保证其服役期间的安全性。事实上,由于结构服役期间的载荷不可能事先完全预测,设计阶段采用的标准载荷工况必然与结构服役期间的实际载荷状况存在差异,这就导致设计寿命与实际使用寿命存在差异,造成了无法消除的安全隐患,所以仅通过设计阶段对结构进行强度与寿命评估,无法完全保证结构服役期间的安全,还必须对结构的工作状态进行监测。服役期间通过实时监测结构关键部位的实际载荷,并结合疲劳、断裂理论分析结构损伤演变、预测结构剩余寿命,并在损伤或剩余寿命达到警戒值时进行预警,是保障结构安全的一种途径。本文以三维疲劳断裂理论为基础,结合测试技术、信号处理技术、以太网技术,构建了结构安全在线监测系统。本文的主要贡献如下: (1)发明了一种结构安全在线监测系统。针对在损伤容限耐久性设计阶段采用的标准载荷工况和结构服役期间的实际载荷谱状况存在差异从而导致的安全问题,本文发明了一种基于疲劳断裂理论的结构安全在线监测系统,能够在线监测结构服役期间所承受的“实际载荷”,并基于该“实际载荷”结合疲劳断裂理论对结构损伤的演化进行在线预测,当预测值达到警戒值时系统预警,从根本上消除了在设计阶段留下的安全隐患,可以进一步提高飞机等重要系统的安全性。 (2)研制了一种基于硬件协议栈的数据采集、处理模块。传统的以太网通讯是采用软件实现TCP/IP协议,协议处理需要占用大量的处理器资源,而在线监测系统算法复杂、对实时性要求高,针对这个问题,本文将基于硬件协议栈的以太网通讯技术成功应用到结构安全在线监测系统,解决了在线监测系统的通讯与实时性之间的矛盾,且比传统方法稳定性更高,还节省了监测系统中宝贵的存储器资源。模块具有以太网接口,可以非常容易地组成网络化的监测系统,实现大规模监测。 (3)发明了一种应变电桥在线监测单元。在线监测系统是基于“实际载荷”对结构损伤进行在线预测的,如果应变电桥本身发生损坏而不能及时发现,将导致一系列错误的预测结果,甚至可能造成严重事故。针对这个问题,本文研制了一种应变电桥在线监测单元,可以直接接入监测系统而对监测结果没有任何影响,在线监测应变电桥的工作状况,当某一应变片发生损坏时,该单元可以及时、准确地发出预警并指出哪一个应变片发生了损坏,从而保证监测结果的可靠性,当监测规模较大时,也可大大减小人工检查应变电桥的工作量。 (4)提出了一种基于三维约束因子的超载迟滞模型。结构安全在线监测系统在线预测精度与采用的疲劳裂纹扩展模型有很大关系,所以本文对疲劳裂纹扩展进行了研究,提出了一种适合用于结构安全在线监测系统的超载迟滞模型。在常幅疲劳裂纹扩展速率已知的前提下,本文模型只需根据某一超载比下的迟滞试验来确定材料的超载迟滞参数,其他超载比的迟滞效应即可基于该参数进行预测。把该模型用于2024-T3、2024-T351、6061-T6等铝合金试件在单超载和多超载作用下疲劳裂纹扩展寿命的预测,预测值和试验值的相对误差小于20%;在高超载比时由于裂尖大范围屈服,预测误差相对较大,但仍小于34%。对2024-T351的验证结果还表明,本文模型还能够有效地预测超载迟滞的厚度效应。该模型对发展能准确预测谱载下疲劳裂纹扩展寿命的新一代方法有重要意义。


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