管道裂纹局部柔度分析与测量研究

摘要

结构上出现的裂纹可以引入一个局部柔度来描述，局部柔度随着裂纹的扩展而改变，这一变化能够有效地反映结构的损伤程度。因此，局部柔度在结构的动力学研究和裂纹检测中具有重要意义。本文以管道裂纹为研究对象，根据应变能释放原理，建立了裂纹管道力学模型，对含任意裂纹方向角的管道裂纹局部柔度进行了推导。然后提出了两种管道裂纹局部柔度测量的方法，从实验研究及数值模拟两个方面对管道裂纹局部柔度测量技术进行了研究。主要工作如下： （1）根据线弹性断裂力学理论，通过将管道分解为半径从小到大的一系列薄壁管，利用薄壁管应力强度因子公式求得裂纹局部柔度，建立了考虑裂纹方向角变化的管道裂纹模型；进而推导出张开型裂纹和呼吸型裂纹在纯弯矩作用下，管道裂纹尖端方向与竖直轴线方向成任意角度的裂纹管的局部柔度方程。 （2）提出了一种基于振动的管道裂纹局部柔度测量方法。通过采用管道动力学模型与振动测试相结合的方式，获得不同位置裂纹的局部柔度与管道固有频率之间的特征关系，建立裂纹管道故障数据库，绘制了固有频率影响曲面。然后对管道进行测试，获得其前两阶固有频率，作为输入参数去截取固有频率影响曲面，绘制出裂纹局部柔度对应于裂纹位置的前两阶频率影响曲线，利用其交点测量出裂纹局部柔度。对比实验与数值分析结果验证测量方法的正确性。在管道模态参数的测试过程中，传感器可以安装在人们不宜接近的结构部位，振动信号提取的过程不影响结构的正常使用，适于进行在线测量。 （3）通过研究管道裂纹等效刚度与挠度的关系，提出了一种基于静变形的管道裂纹局部柔度测量方法。根据应变能原理，推导出裂纹区域应变能、弯矩与挠度的关系式，建立管道在裂纹位置的等效刚度表达式，从而获得裂纹局部柔度。为了验证裂纹局部柔度测量方法的有效性，利用ANSYS分析软件建立简支裂纹管的有限元模型，并将有限元计算结果与测量结果进行对比验证，两者基本吻合。验证了基于静变形的管道裂纹局部柔度测量方法的有效性。由于管道挠度、裂纹位置等参数容易测量，对仪器要求也较低，因此这种方法操作方便，测量结果可靠。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 基于柔度的损伤识别方法

1.3 国内外研究概况

1.4 本课题主要研究内容

2 管道裂纹的局部柔度理论分析

2.1 引言

2.2 裂纹模型的局部柔度理论

2.3 裂纹管有限元模型

2.4 任意方向裂纹管的局部柔度推导

2.5 本章小结

3 基于振动的管道裂纹局部柔度测量

3.1 引言

3.2 裂纹结构动力学分析

3.3 裂纹管局部柔度仿真分析

3.4 裂纹管局部柔度实验研究

3.5 本章小结

4 基于静变形的管道裂纹局部柔度测量

4.1 引言

4.2 裂纹等效刚度的计算

4.3 裂纹管等效刚度测量

4.4 裂纹管三维有限元模拟

4.5 裂纹局部柔度模拟结果与实验结果的对比

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢