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直管损伤识别若干问题的研究

黄勇  
【摘要】: 鉴于在结构健康诊断中模态参数对局部损伤不敏感,作者依据波动概念探讨了结构局部损伤的定位和损伤程度的识别方法。本文针对匀直钢管中损伤的识别,采用理论分析、数值模拟和物理试验相结合的方法论述了这一研究方向的可行性。具体研究结果如下: 1.通过数值模拟阐明了在管端横截面上一点的敲击作用下,细长直管中的波动用一维定型波波动方程描述的条件。研究结果表明,在离开敲击端一定距离后,直管中激励出的三维频散波动可以近似地用一维定型平面波描述。基于一维定型波模型提出了将直管中的全波场分解为单向波场的两种方法:其一利用在直管的同一点上取得的两个观测记录(位移、速度、加速度和应力(应变)四个物理量观测记录中任取其二),导出在该观测点邻近区域内提取单向波的公式;其二利用相邻两个观测点的同一物理量记录导出波场的分解公式。 2.针对钢管损伤常见的特点,建立了与一维定型波模型匹配的两个简化的损伤力学模型:其一描述直管在有限长度上刚度的改变,简称为连续损伤模型。其二描述直管的横向裂缝,建立了估算裂缝自由面远场效应、并与一维定型波模型匹配的简化裂缝模型。基于上述损伤模型和单向波概念提出了直管损伤的一种简化识别方法:利用直管两个观测点的记录判断其间是否存在损伤以及损伤的程度。这一检测方法的特点在于,它仅与观测点之间的管段有关,而与结构的其他部分无关。通过算例说明了反演方法的可行性和灵敏度。 3.进行了完好直管、与连续损伤模型对应的有套箍直管和具有横向切口直管等的敲击试验。试验研究结果包括:第一,验证了一维定型波模型的有效性,检验了依据实测信号分离单向波的效果;第二,分析了直管端部、套箍、横向切口等损伤部位反射波的特点,检验了损伤部位定位的方法;第三,对损伤程度的识别作了初步尝试,提出了进一步工作方向。此外,利用HHT等信号处理方法进行了去噪及损伤定位方面的探讨。 4.结合结构损伤识别,对时频信号分析方法HHT的理论、方法和存在的问题作了较系统的讨论,并使用FFT的改进算法使有效频谱带宽达到两倍Nyquist频率,改进了HHT时频分析的效果。


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