基于模态小波分析的棒体裂纹损伤识别研究

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棒体结构广泛应用于工程实际,作为大型结构的基本组成单元,许多棒体结构在工作过程中会出现裂纹、腐蚀、凹坑等损伤缺陷,而裂纹损伤所占的比重很大,也是出现损伤缺陷最早的标志之一。由于早期初始裂纹不易被发现,裂纹不断扩展,将会造成整个结构的破坏,甚至导致重大的事故,因此对棒体裂纹损伤的研究很有意义。本文以含有裂纹损伤的棒体为研究对象,采用理论模态分析、实验模态分析、结合时频小波分析的方法对其进行了裂纹位置的识别和损伤程度的初步量化,论文主要展开如下方面的工作:  (1)首先概述了结构损伤识别的研究现状,介绍了国内外基于振动测试的结构损伤识别的研究状况,小波分析方法用于结构损伤识别的基本理论和模态分析的振动系统理论模型,阐述了二者结合的优越性。  (2)应用Ansys有限元分析软件,对含有不同深度裂纹缺陷的棒体建模、并对其进行模态分析,得到固有频率、振型等模态参数,通过仿真分析证明了裂纹缺陷会造成棒体局部刚度的降低,从而拟合了裂纹深度与降低局部弹性模量的数学模型。  (3)对模态阵型参数进行曲率模态分析,应用Matlab软件对其进行小波多尺度分析变换,建立了小波系数模最大值与尺度之间的关系,实现了小波系数模最大值点来准确的定位棒体裂纹的位置。  (4)为了评估裂纹处的损伤信息,选取Lipschitz指数作为损伤程度指标,对含有横裂纹、斜裂纹、多裂纹的棒体模型进行了曲率模态小波分析,研究了多裂纹之间的相互影响,构建了损伤程度与裂纹深度的数学表达式,初步实现了损伤程度的定量化。  (5)搭建振动实验台,对含矩形缺口模拟裂纹的棒体进行了振动模态实验,对实验数据进行了模态分析,对比理论模态和实验模态数据,得出理论和实验异同点的结论、并分析产生相异点的原因。  本研究从理论和实验角度实现棒体裂纹的损伤识别,为动态和复杂结构的无损识别提供了理论依据和实际应用基础。
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