基于模态分析的木材缺陷定位检测

摘要

本文以落叶松、杨木树种为研究对象，选取的木材试件含有较多的节子、裂缝等天然缺陷，首先采用FFT快速傅里叶分析仪对木材进行模态分析，测出木材的固有频率、振动模态，并进一步计算弹性模量和模态振型，分析含缺陷木材与无缺陷木材的固有频率、弹性模量和剪切模量的差异。运用MATLAB对试件振型曲线进行正弦拟合，以判定系数R2、误差平方和SSE和均方差RMSE表征曲线的拟合度，R2越大、SSE和RMSE越小，则拟合度越高;以拟合曲线与模态振型图所夹面积S作为表征曲线平滑度的参数，S越大，则试件模态振型曲线平滑度越差。之后将每一根木材都加工成4个小试件，再进行试验模态分析，研究缺陷面积和密度变异的关系。然后采用计算机有限元软件ANSYS进行计算模态分析，反复选择不同的单元、网格划分和计算方式进行模拟，得到最优的计算模态分析的模拟方法，最后与试验模态分析的结果进行比较，验证实验结果。两种模态分析得到实验结论如下:
　　(1)缺陷会改变木材的物理性质，木材的固有频率和弹性模量会随着缺陷的增加而减小。运用MATLAB对试件振型曲线进行正弦拟合发现，R2均大于0.9429。试件的振型从一阶到六阶，SEE、RMSE和S均随着阶次的增大而增大，说明振型曲线的阶次越高，其拟合度越差且平滑度越差。对于从同一块板材加工而成的试件，有缺陷试件的振型变异度大于无缺陷试件。以曲线平滑度S的取值可以判断试件自然缺陷的面积是否大于5cm2。当前六阶振型的平滑度S平均值大于1时，说明该试件自然缺陷的面积大于5cm2。
　　(2)节子对木材一、二、三阶的模态振型影响体现在峰值处，木材的四、五、六阶模态振型在节子处会出现振型曲线的突变，该突变表现为改变曲线的单调性而非平滑度。而开裂木材的一阶模态振型体现为不对称，第一个敲击点和最后一个敲击点的位移差值大于0.4，且敲击裂缝部位所得的频率虚部图在固有频率处会出现双峰值。说明可以通过木材的固有频率、弹性模量、模态振型、虚部图对节子、裂缝进行定量、定位检测。
　　(3)应用ANSYS进行计算模态分析时，泊松比的设定对模态分析的结果无影响。木材单元设定为solid186，采用六面体进行网格划分。通过模拟结果发现计算模态分析所得固有频率fj均对应大于试验模态分析所得固有频率fs。以fj为横坐标，以fs为纵坐标进行二项式拟合，可以通过相关方程对计算模态分析的固有频率进行修正。ANSYS模态振型变化与FFT所得振型变化规律一致，验证了模态分析定位检测木材自然缺陷的准确性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 无损检测概述与国内外研究现状

1．2．1 无损检测概述

1．2．2 无损检测国内外研究现状

1．2．3 模态分析在木质材料中的研究现状

1．2．4 有限元法在木质材料中的研究现状

1．3 研究的目的和意义

1．4 研究的主要内容

1．5 研究的技术路线

2 模态分析及有限元法的基本理论

2．1 模态分析

2．1．1 模态分析基本理论

2．1．2 模态分析的相关参数

2．1．3 模态分析基本步骤

2．2 有限元法的基本理论

2．2．1 有限元法概述

2．2．2 ANSYS简介

2．2．3 ANSYS模态分析的基本步骤

2．3 本章小结

3 木材的试验模态分析

3．1 试验仪器和方法

3．1．1 试验仪器

3．1．2 试验方法

3．2 落叶松和杨木的模态分析

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验结果与分析

3．3 试件的密度变异和非均质性研究

3．3．1 试验材料

3．3．2 试验结果

3．4 本章小结

4 模态振型与虚频图定位木材缺陷

4．1 MATLAB正弦拟合识别缺陷

4．1．1 振型的正弦曲线拟合

4．1．2 木材缺陷的定性检测

4．2 节子和开裂的定位检测

4．2．1 模态振型对节子的进行定位检测

4．2．2 虚频图对开裂进行定位检测

4．3 本章小结

5 木材缺陷的计算模态分析验证试验结果

5．1 试件的有限元模型

5．1．1 单元及材料的设定

5．1．2 泊松比的设定

5．1．3 网格划分

5．1．4 模态分析算法选择

5．2 ANSYS模态分析结果及数据分析

5．2．1 固有频率

5．2．2 ANSYS模态分析所得固有频率的修正

5．2．3 模态振型

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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