钢桁架结构的连接刚度损伤识别方法研究

摘要

结构损伤可能导致结构质量、阻尼或刚度等物理特性的改变,我们通常所谓的损伤主要指结构刚度的降低。在结构服役过程中,连接部位处于复杂的应力集中区域,可能先于结构单元发生失效和破坏,连接刚度的损伤是比结构单元刚度的损伤更加接近结构实际损伤的形式,因此了解结构连接部位的损伤情况显得十分重要。通常用作结构损伤识别的动力特性指纹参数有：固有频率、振型、曲率等等,然而不同的动力指纹参数识别的效果有很大不同,各有其应用范围。因此研究结构连接刚度的损伤识别方法具有重要的学术意义和工程应用价值。鉴于这样的研究现状,本文以某大桥钢桁架结构试样为研究对象,探讨了结构连接刚度损伤识别的方法。 ⑴对钢桁架结构系统在模拟连接损伤工况下的动力特性试验进行了研究。本文通过改变钢桁架缩尺试样与反力架系统之间的连接方式来达到模拟各种损伤工况的目的,而后针对所模拟的各种工况进行了动力特性测试。在动力特性试验过程中,解决了试验节点几何建模、数据采集及时频分析和提高精度措施等若干问题。 ⑵基于钢桁架结构系统在各种工况下的动力特性实测数据,利用目前一般的结构损伤识别方法中所采用的动力指纹参数,研究它们用于钢桁架结构系统连接刚度损伤识别的效果。研究表明,虽然固有频率最易测得,但是反映结构整体动力特性的固有频率对连接损伤这种局部发生的损伤很不敏感。而振型参数受试验误差的影响较大,并且振型相关系数MAC值随连接刚度损伤工况的变化规律不明显,也不能对连接刚度损伤进行识别。观察实测频响函数结果可以看出,连接刚度发生损伤后,频响函数曲线在共振峰附近变化不大,但在某些共振峰之间的频段范围内变化却十分显著,但是目前基于频响函数指纹参数的损伤识别方法多利用共振峰峰值处的数据,而忽略了共振峰之间频段内频响函数的变化,因此利用现有的基于频响函数指纹参数的方法对连接刚度损伤进行识别,也不能得到良好的识别结果。 ⑶提出了一个新的损伤识别方法——基于频段相关系数的结构连接刚度损伤识别方法,并通过破损方案对比验证了此损伤识别方法的有效性。相关系数本是时域内用来描述两个振动曲线相似程度的概念,时域相关系数在评价两条振动曲线相似程度的过程中,利用了一个时域上的所有振动数据。鉴于时域相关系数这样的优点和基于频响函数的损伤识别方法仅仅利用共振峰处数据的不足,本文利用时域相关系数的理论来解决频域内两条频响函数曲线相似程度的描述问题。研究结果显示,频段相关系数作为损伤识别指纹参数能够反映连接刚度的损伤,并能够对连接刚度损伤量大小进行定性的评估。 ⑷建立了钢桁架结构系统的有限元模型,并重点关注系统中钢桁架结构与反力架结构之间的连接刚度的模拟。建立了无损工况下的结构模型,并基于实测频率结果,对模型进行了修正,使有限元模型的精度能够满足动力计算的要求。模型连接处的自由度大小则用弹簧单元来模拟,通过改变弹簧刚度的大小以实现模拟损伤工况的目的。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2相关领域的研究现状

1.2.1 结构健康监测和振动特性测试

1.2.2 基于动力特性变化的结构损伤识别

1.2.3 连接刚度损伤识别的研究

1.3本文做的主要工作

2钢桁架结构在模拟连接损伤工况下的动力特性试验

2.1钢桁架结构系统

2.1.1 缩尺结构试样及其改装

2.1.2 钢桁架结构系统互易性检验

2.2连接状态与损伤工况模拟

2.3激励方式与动力测试理论依据

2.3.1 激励方式的确定

2.3.2 试验模态分析理论

2.4动力特性试验过程

2.4.1 试验节点几何建模

2.4.2 试验设计

2.4.3 数据采集及时频分析

2.4.4 提高精度的措施

2.5本章小结

3基于动力特性的连接刚度损伤识别

3.1测试结果

3.2以频率改变为指纹参数的损伤识别

3.3以振型相关系数为指纹参数的损伤识别

3.4以频响函数参数为指纹参数的损伤识别的探讨

3.5本章小结

4基于频段相关系数的结构连接刚度损伤识别方法——试验验证

4.1基于时域相关分析理论的频段相关系数

4.1.1 频段相关系数的原理与基本概念

4.1.2 连接刚度识别参数的定义

4.1.3 连接刚度识别步骤

4.2识别参数的选择

4.2.1 系统参考点选取

4.2.2 参考频段选择

4.3以频段相关系数为损伤指纹参数有效性的试验验证

4.3.1 损伤识别方法在X向有效性的试验验证

4.3.2 损伤识别方法在Y向有效性的试验验证

4.3.3 损伤识别方法在Z向有效性的试验验证

4.3.4 试验验证结论与分析

4.4本章小结

5基于频段相关系数的结构连接刚度损伤识别方法——模拟计算和适用性探讨

5.1钢桁架结构系统建模过程与连接刚度参数化

5.1.1 钢桁架结构系统模型的建立与修正

5.1.2 连接刚度的参数化

5.2自由度变化对频段相关系数的影响

5.2.1 X方向平动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.2.2 Y方向平动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.2.3 Z方向平动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.2.4 X方向转动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.2.5 Y方向转动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.2.6 Z方向转动自由度参数的变化对频段相关系数的影响

5.3方法的适用性探讨

5.4本章小结

6结论与后续工作建议

6.1完成的主要工作及其意义

6.2后续工作展望

参考文献

致谢