基于实验模态分析的结构损伤识别的研究

摘要

结构的健康监测和损伤识别对于分析结构的工作状态、评估结构的使用寿命和安全性具有重要的意义。在实验模态分析的基础上，根据结构动力学特性的结构损伤识别因其快速简单而成为目前学术界和工程界关注的热点。它融合了系统识别、振动理论、振动测试测量技术、信号采集等学科的知识，目前已广泛用于航空航天、精密机床等领域。
　　本文详细介绍了常见的梁、板结构的振动理论及其有限元知识，并基于摄动理论推导了模态应变能指标损伤定位的原理。本文提出了加权单元模态应变能变化率作为改进的损伤定位指标来降低噪声对定位结果的影响，并通过模拟噪声的影响来分析该指标的损伤定位效果及抗噪性。为了解决实测自由度振型向量不完整的问题，本文推导了仿照Guyan方法的动态扩阶方法，并采用该方法对实测振型向量进行扩充。最后，介绍了基于耗散率理论的单元损伤变量D的概念，理论推导了其作为损伤程度评估指标的原理。
　　本文损伤识别的思路基本可以概括为以下两步：一是选取单元模态应变能变化率和改进的加权的单元模态应变能变化率作为损伤定位指标，定位出损伤单元；二是采用单元损伤变量D来评估单元的损伤程度。实验部分安排了两端固支梁数值仿真实验和单边固支弹性薄板的实验。两实验均模拟了大量的损伤工况，以求发现该方法的优缺点及适用范围。最后，在本文研究的基础上开发出简单的损伤定位系统，为实际工程应用提供参考。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究进展

1.3 本文的主要研究内容

第二章 梁结构与薄板结构的振动理论及有限元分析

2.1 引言

2.2 梁结构的弯曲振动理论及有限元

2.3 弹性薄板结构的弯曲振动理论及有限元

2.4 本章小结

第三章 模态分析与模态应变能理论

3.1 模态分析与损伤诊断

3.2 基于摄动理论的模态应变能识别方法

3.3 基于耗散率理论的模态应变能损伤指示因子

3.4 本章小结

第四章 两端固支梁的损伤仿真分析

4.1 数值仿真模型

4.2 损伤对两端固支梁模态参数的影响分析

4.3 基于模态应变能的损伤指标

4.4 噪声的模拟及其对损伤识别的影响

4.5 模态扩阶技术

4.6 本章小结

第五章 薄板损伤定位的实验研究

5.1 实验内容

5.2 实验数据分析

5.3 实验模态扩阶

5.4 损伤识别分析

5.5 损伤定位分析系统开发

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本论文主要工作成果

6.2 进一步研究方向

参考文献

致谢

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