基于非线性振动声学调制的结构损伤程度评估研究

摘要

悬臂梁结构已经被广泛应用于大型机械设备、智能风机、能源回收等工业工程领域，结构微缺陷也逐渐成为了工程结构服役的重大安全隐患。因此，提出一种可行的方案对悬臂梁结构中的微缺陷进行有效检测以及对损伤程度的准确评估意义重大。近年来，一种更为有效的方法——非线性超声诊断法开始用于接触式微裂纹的检测之中。振动声调制方法就是基于此原理的一种非线性超声检测方法，其典型表现是超声信号被低频信号所调制的现象。
　　首先，本文基于随机共振的微弱信号增强效应，通过在悬臂梁引入上一对互斥磁铁模型，构建双稳态振动模型。实验评估结果表明，该结构模型能够有效地增强非共振频率的振动响应，显著地增加了振动声调制方法的有效操作区间和操作稳定性，从而实现了在信号探测前段对信号的有效放大，使其更适用于多维度的悬臂梁之中。
　　其次，本文将非线性系统中常见的滞后非线性特性引入到结构损伤的评估中来，研究了悬臂梁损伤程度与滞后非线性特性存在的关联性，并通过对不同损伤程度下的悬臂梁的动态响应进行测量和分析，初步得到损伤程度的增加会增强非线性系统响应中的滞后非线性特性。
　　最后，本文将结构的滞后非线性特性与传统的振动声调制方法相结合。根据观察实验中调制指数曲线所出现的滞后特性——跳跃现象和滞后区间在不同损伤程度下的变化规律，提出利用结构振动声调制结果中所出现的不同程度滞后非线性特性来评估结构的损伤程度。研究中通过实验和仿真的分析，进一步解释和验证了二者的内在物理联系，结果表明损伤程度的增加造成结构有效刚度的降低是非线性振动响应中的滞后现象增强的根本原因。该方法克服了先前研究中单纯使用调制强度不能够准确地对损伤程度进行评估这一不足之处。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 结构健康监测的意义及发展现状

1．1．2 结构微裂纹的产生原因和危害分析

1．2 超声诊断方法

1．2．1 传统的线性超声诊断方法

1．2．2 非线性超声诊断法

1．3 振动声调制检测技术

1．3．1 检测原理

1．3．2 基于振动声调制效应的损伤评估研究现状

1．4 非线性振动中的滞后非线性特性

1．4．1 非线性振动

1．4．2 滞后非线性特性

1．4．3 基于滞后非线性特性的无损检测方法的研究现状

1．5 本论文的主要工作和创新性

1．5．1 论文的主要工作

1．5．2 论文的创新点

第2章 基于随机共振微弱信号增强的非线性振动模型

2．1 引言

2．2 基于随机共振的微弱信号增强效应

2．3 非线性双稳态随机共振模型

2．3．1 双稳态随机共振系统

2．3．2 悬臂梁双稳态振动模型的构建

2．4 结构特性评估

2．4．1 结构模型的作用力

2．4．2 结构模型的动态响应特性

2．5 小结

第3章 非线性振动的滞后非线性特性

3．1 引言

3．2 非线性系统的运动微分方程

3．2．1 简谐激励下的受迫振动

3．2．2 杜芬方程

3．3 非线性振动以及非线性方程解的某些物理性质

3．3．1 固有频率特性

3．3．2 不同于线性系统的共振曲线

3．3．3 跳跃现象与滞后现象

3．4 结合滞后非线性特性的损伤评估方法

3．5 滞后现象的动态特性分析

3．6 小结

第4章 结合非线性滞后效应的振动声调制方法

4．1 引言

4．2 实验装置和原理

4．3 实验结果分析

4．3．1 裂纹尺寸增加对滞后现象的增强效应

4．3．2 滞后现象的动态特性分析

4．4 仿真结果验证

4．4．1 不同损伤程度下悬臂梁末端变形的差异

4．4．2 悬臂梁末端偏转角度对磁场力的影响

4．5 小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果