基于曲率模态的复杂曲面结构损伤检测.pdf
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1、Open Journal of Acoustics and Vibration 声学与振动声学与振动,2023,11(2),54-62 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ojav https:/doi.org/10.12677/ojav.2023.112007 文章引用文章引用:孙海航,吴锦武.基于曲率模态的复杂曲面结构损伤检测J.声学与振动,2023,11(2):54-62.DOI:10.12677/ojav.2023.112007 基于曲率模态的复杂曲面结构损伤检测基于曲率模态的复杂曲面结构损
2、伤检测 孙海航,吴锦武孙海航,吴锦武 南昌航空大学,飞行器工程学院,江西 南昌 收稿日期:2023年5月6日;录用日期:2023年6月2日;发布日期:2023年6月13日 摘摘 要要 复杂曲面结构在工程中被广泛应用,对曲面结构进行无损检测具有重要意义。本文以航空发动机的活门复杂曲面结构在工程中被广泛应用,对曲面结构进行无损检测具有重要意义。本文以航空发动机的活门为研究对象,引入曲率模态差为研究对象,引入曲率模态差(DI)作为损伤参数。对活门进行不同程度裂纹加工,利用激光测振仪获得作为损伤参数。对活门进行不同程度裂纹加工,利用激光测振仪获得活门损伤前后的模态振型,应用中心差分法求解结构损伤前后的
3、曲率模态值,利用其差值对裂纹进行定活门损伤前后的模态振型,应用中心差分法求解结构损伤前后的曲率模态值,利用其差值对裂纹进行定位位,进而确定损伤程度进而确定损伤程度。研究结果表明,采用模态曲率差法对结构进行损伤识别能准确判定损伤的位置。研究结果表明,采用模态曲率差法对结构进行损伤识别能准确判定损伤的位置。曲率模态差曲率模态差(DI)作为损伤参数,随着裂纹深度增加而增大,可以很好作为损伤参数,随着裂纹深度增加而增大,可以很好地地反映反映结构的损伤程度。结构的损伤程度。关键词关键词 损伤识别,曲率模态差,曲面结构损伤识别,曲率模态差,曲面结构 Damage Detection of Complex
4、Surface Structures Based on Curvature Modes Haihang Sun,Jinwu Wu School of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi Received:May 6th,2023;accepted:Jun.2nd,2023;published:Jun.13th,2023 Abstract Complex surface structures are widely used in engineering,and non-destructive tes
5、ting of surface structures is of great significance.In this paper,the valve of the aero engine is taken as the research object,and the curvature mode difference(DI)is introduced as the damage parameter.The valve was processed to different degrees of cracks,the laser vibrometer was used to obtain the
6、 modal mode shape before and after the valve damage,and the central difference method was applied to solve the curvature mode value before and after structural damage,and the crack was located by using its difference,and then the damage degree was determined.The results show that the dam-age recogni
7、tion of the structure by the modal curvature difference method can accurately deter-孙海航,吴锦武 DOI:10.12677/ojav.2023.112007 55 声学与振动 mine the location of the damage.As a damage parameter,the curvature mode difference(DI)in-creases with the increase of crack depth,which can well reflect the damage degr
8、ee of the structure.Keywords Damage Identification,Curvature Modal Difference,Surface Structure Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 在长期使用过程中,由
9、于受到外力冲击或者处于恶劣环境的影响,结构表面会出现损伤。损伤的发生直接导致结构局部刚度下降,并且相当大的一部分损伤肉眼难以观察,也不易被仪器检测出来。如果不检测到损伤区域,随着时间的推移,该结构将出现损坏和失效,并对人们的财产和生命构成威胁。因此,结构安全检测越来越受到重视。基于结构动力响应的损伤检测方法一直是国内外损伤识别研究方向的热点,利用模态数据进行损伤检测是使用最广泛的方法之一。由于与其他定位技术相比,模态曲率对于狭窄的损伤,例如缺口更加敏感1 2,很多研究者对曲率模态及其衍生参数的损伤识别展开了研究。Garrido 等人3开发了一种量化模态曲率简单支撑梁损伤的方法 王龙等人4基于曲
10、率模态损伤前后变化率对梁结构进行损伤定位,并与模态应变能法的损伤检测效果进行了对比,结果表明,曲率模态变化率损伤检测方法更加准确快捷。袁雪松等人5利用损伤状态的一阶曲率模态差对简支梁进行损伤识别,并提出一种采用函数拟合构建未损伤状态曲率模态曲线的方法。Gorgin 等人6提出了一种基于板的一阶振型主曲率的损伤识别方法,结果表明,由结构第一阶振型定义的表面主曲率对损伤敏感,最大主曲率可用于突出结构上的损伤。孙淑文7将曲率模态差和小波变换两种方法结合在一起识别结构的损伤,结果表明会比单一方法具有更好的损伤识别能力。Cao 等人8中提出了一种基于模态曲率的损伤定位方法。为了克服经典模态曲率程序噪声灵
11、敏度的缺陷,该方法使用 Teager 能量算子小波变换模态曲率,表现出更高的抗噪性,可用于扫描激光测振仪获得的模态数据。在工程应用方面,呙中睴等人9对桥式起重机主梁进行损伤检测,验证了曲率模态分析技术不仅能准确诊断主梁的损伤位置,还可判断梁的损伤程度。利用曲率模态进行结构损伤检测的研究主要集中在梁板结构上,对曲面结构的损伤识别研究较少。本文以航空发动机活门为研究对象,利用曲率模态差法对曲面结构进行损伤识别试验研究。2.基本理论基本理论 曲率模态(Curvature Mode)。作为模态参数,曲率模态是弯曲结构弯曲振动的一种独特的固有变形模态。因为曲率模式是结构中性表面的变形模态,所以它对结构的
12、局部变化相对敏感,并且可以反映其局部特性的变化。因此,该理论被引入到弯曲构件的损伤识别中。当梁弯曲时,中性轴的曲率计算如下:Open AccessOpen Access孙海航,吴锦武 DOI:10.12677/ojav.2023.112007 56 声学与振动 MEI=(1)其中 E 是材料的弹性模量,I 是截面的惯性矩,M 是弯矩。由公式(1)可以推断,梁上某一点的曲率与相应的结构刚度成反比;也就是说,结构刚度的变化可以通过曲率来反映。考虑到结构一般在线弹性范围内,从材料力学的角度来看,构件的曲率公式如下:()23 21=+(2)其中是位移。在小变形的情况下,公式(2)可以转换为=(3)在引
13、入曲率模式的定义后,是的二阶导数,是曲率模态,是位移模态。在有限元分析中,通过模态分析获得的振动模态通常是位移矩阵,通过使用中心差分法计算其变化规律可以容易地获得曲率模态。在实际的结构损伤检测过程中,可以使用加速度传感器以及相应的采集系统来收集结构振型。结构的整体位移矩阵,可以根据结构上测量点在特定时刻的位移计算得出。曲率模态()i 可以使用位移矩阵的中心差分法得到,如下所示:()()()()111,12,iiiiiii ill +=(4)式中,1,iil是传感器1i到 i 的距离,,1i il+是传感器 i 到1i+的距离。通过对曲率模态做差,得到曲率损伤因子 DI,m DmDI=(5)结构
14、损伤曲率模态可以直接反映结构损伤过程中的刚度变化。如果结构的损伤很小,可以使用最大归一化方法对曲率模式进行归一化。由式(1)可知,结构出现损伤后其物理特性将发生改变,该变化可通过模态参数进行反映,因此,通过检测模态特性的变化可对结构进行损伤识别,曲率模态对结构损伤的变化尤为敏感,通过计算结构在第 m 阶固有频率下损伤后与损伤前的曲率模态差的绝对值,可对结构的损伤位置进行定位:其中,m D为损伤后的第 m 阶曲率模态,m未损伤时的第 m 阶曲率模态。该方法通过对比选定阶数下的模态曲率差值进行损伤检测。3.实验设备及流程实验设备及流程 将活门试件固定在试验台上,打开激光测振仪和激光探头。首先在试样
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