基于三维仿真与模型参数监测的机械结构局部损伤诊断方法

摘要

随着科学技术的进步、现代工业的发展以及人类生活日益增长的需求，现代机械装备与结构正在向大型化、复杂化与自动化方向发展。机械结构在使用过程中，在承受工作载荷的作用以及各种突发性外在因素影响下可能发生局部损伤。当局部损伤积累到一定程度时，会导致局部或整体结构的失效。对于重要结构，损伤所导致的机械装备与结构的故障停机将造成巨大的经济损失，乃至引发重大的灾难性事故。世界上不乏由于机械损伤导致灾难性事故的实例。对机械结构进行损伤监测与失效预警，将在很大程度上消除事故隐患和避免发生灾难性事故。因此，结构损伤监测与诊断方法的研究具有重要意义。基于振动的结构损伤检测与诊断技术可实现在线损伤(特别是早期损伤)的定量检测与诊断，从而保证在役设备与结构的运行安全，并为近代预知维修提供可靠信息。因此，近年来这种技术得到迅速发展。其中以模型为基础的方法能够实时、敏感地发现由于结构损伤所造成的结构动态特性的本质变化，并有可能对损伤作定量评估，从而受到国内外研究者的广泛关注。在基于结构振动特性的损伤检测方法中，常用和有效的一种方法是利用结构定量模型(如模态模型)的参数检测方法，如利用结构固有频率、振型、模态曲率、应变模态、传递函数、模态置信判据(MAC)、坐标模态置信判据(COMAC)等模态参数的变化进行结构损伤检测。
　　 本文采用基于模态模型参数辨识的一种模型损伤检测与诊断方法，解决了将此方法应用于复杂机械结构损伤检测的一系列问题，提出了基于结构易损伤部位及关键位置预测、结构损伤-动力学响应特征-模态参数变化之间关系预分析的少传感器结构损伤检测与诊断方法。提高了这种方法应用于复杂工程结构的可行性。提出了一种基于实验模态分析数据的有约束的贝叶斯估计有限元模型修改方法，以多段组合的门形框架结构为例，建立了修改后的模态模型。分析了这种框架结构在激振器激励下的动力学响应及引起结构损伤的敏感参数。在此基础上，采用了基于三维动力学仿真的疲劳分析，确定了门形框架结构的易损伤位置。为发生损伤后动力学行为变化的进一步分析提供依据。从理论上研究了损伤对结构模态频率和振型的影响，讨论了基于频率变化监测结构损伤的可行性。以门形框架结构为例，运用有限元方法，计算了疲劳裂纹以及法兰螺栓松动条件下门形框架结构模态频率的变化。用模态实验验证了有损伤门形框架结构的模态频率漂移特征。通过计算与实验结果比较，研究了归一化的模态频率漂移向量的一致性。运用频响函数结构综合方法，分析了组合结构的频响函数。讨论了几种特殊连接情况下，组合结构中的子结构的频响函数。结果表明，子结构损伤或刚度变化对结构动力学特征或频响函数的影响是复杂的，其影响取决于子结构间连接状况。对于刚性连接结构来说，组合结构中子结构的频响函数极点与整体结构的频响函数极点相同。通过子结构的频响函数极点选取，可以反映整体结构的模态频率变化。以基于工作模态分析的在线模态参数辨识为基础，分析了辨识结果的不确定性，改进了辨识算法。提出用可表征损伤特征的主模态对应的互功率谱幅值构建Fisher信息阵。通过逐步消除不敏感传感器直到余下的传感器数目为期望数值为止，得到了传感器优化布置(尽可能少的数量与最佳的配置位置)结果。减少了传感器布置数目、且适合于结构关键部位损伤监测。对有损伤的门形框架结构进行工作模态分析，验证了基于三维仿真与模型参数监测的机械结构局部损伤诊断方法。