基于弯曲波的拉索损伤识别理论方法

发布时间：2022-08-10 17:30

　　拉索作为轻质高强的关键传力构件,在土木结构,尤其大跨度柔性桥梁中发挥着巨大作用。这些结构在恶劣、复杂环境下长期服役,难免因腐蚀、疲劳等因素发生局部损伤,危及整体结构的安全可靠性。因此,准确识别拉索的局部损伤,对结构后期维护至关重要。基于动力的结构健康监测对客观条件要求较低,测试信息量大,具有较强的抗干扰能力,然而众所周知,低阶模态表征结构整体特征,对局部损伤的敏感性不足。针对该问题,本文基于拉索弯曲波,提出了适用于拉索局部损伤识别的新理论方法。首先,从拉索的横向运动微分方程出发,推导了拉索中的弯曲波频散特征。通过对Euler-Bernoulli拉索、Timoshenko拉索、弹性耦合钢丝的频散关系研究及其参数讨论,证实了索力、抗弯刚度、剪切刚度、钢丝法向接触分别在模态参数、弯曲波、剪切波、导波中的主导地位,并给出了波传播模式与结构几何尺度之间的关系。通过提出基于波长的频段划分方法,为用于拉索局部损伤识别的弯曲波频段选取提供初步理论依据;在拉索频散关系的基础上,从频域解析解出发,推导了拉索谱元矩阵,应用于拉索弯曲波传播分析,解决了传统有限元高频分析因单元划分与时间步长限制而导致巨大计算量... 

【文章页数】：215 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 选题背景
    1.2 研究现状
        1.2.1 基于模态参数的损伤识别
        1.2.2 基于弹性波传播的损伤识别
    1.3 本文核心思想
    1.4 本文概述
        1.4.1 技术路线
        1.4.2 主要研究内容
第2章 拉索中的弯曲波传播特性
    2.1 EULER-BERNOULLI理论
        2.1.1 基本方程
        2.1.2 频散关系
        2.1.3 数值算例
    2.2 TIMOSHENKO理论
        2.2.1 基本方程
        2.2.2 频散关系
        2.2.3 数值算例
    2.3 弹性耦合理论
        2.3.1 基本方程
        2.3.2 频散关系
        2.3.3 数值算例
    2.4 杆系结构动力频段划分概念
        2.4.1 引言
        2.4.2 基于几何尺度的频段划分
    2.5 本章小结
第3章 基于有限元-谱元结合的拉索弯曲波分析方法
    3.1 引言
    3.2 基于LAPLACE变换的拉索谱单元开发
        3.2.1 拉索横向运动的谱元矩阵推导
        3.2.2 3D谱元矩阵与整体谱方程
    3.3 基于有限元-谱元结合的分析方法
        3.3.1 FESEM程序编制
        3.3.2 有限元-谱元模型映射关系
        3.3.3 截面积修正
    3.4 数值算例1–单根水平拉索
        3.4.1 拉索静态模型
        3.4.2 频响函数分析
        3.4.3 自振频率分析
        3.4.4 弯曲波传播分析
    3.5 数值算例2–斜拉-桁架结构
        3.5.1 模型简介
        3.5.2 初始静力状态
        3.5.3 拉索弯曲波传播分析
    3.6 本章小结
第4章 基于解析模型修正的拉索内力识别方法
    4.1 引言
    4.2 拉索静力状态的简化解析求解
        4.2.1 基本方程
        4.2.2 忽略重力弦向分量
        4.2.3 忽略抗弯刚度项
        4.2.4 算例验证
    4.3 基于广义边界子结构的索力识别
        4.3.1 基本理论
        4.3.2 抗弯刚度修正
        4.3.3 数值稳定性
        4.3.4 索力识别总体流程
    4.4 数值模拟实验
        4.4.1 含索夹倾斜拉索锤击响应
        4.4.2 响应测试与信号处理
        4.4.3 子结构索段轴力识别
        4.4.4 误差分析
        4.4.5 基于静态简化解析解的模型修正
    4.5 本章小结
第5章 损伤拉索动力响应的波分量分解
    5.1 从模态分解到波分量分解
    5.2 弯曲波在不连续点的反射与透射
        5.2.1 分段解析模型
        5.2.2 数值算例1–损伤界面反射与透射
    5.3 含局部损伤的有限长拉索–自由振动与端点激励
        5.3.1 分段解析模型
        5.3.2 位移控制边界
        5.3.3 数值算例2-特征值问题
        5.3.4 吸收边界(半无限长拉索)
        5.3.5 数值算例3-端点激励的半无限长拉索
    5.4 受集中力激励的损伤拉索
        5.4.1 分段解析模型
        5.4.2 数值算例4–受集中力激励的损伤拉索
    5.5 本章小结
第6章 基于近场波分量的拉索损伤识别
    6.1 基于局部观测的损伤判别指标
        6.1.1 基于信号变换的波分量系数识别
        6.1.2 子结构索段反射系数估计
    6.2 数值模拟实验1-基于锤击激励的拉索损伤识别
        6.2.1 拉索模型
        6.2.2 实验步骤
        6.2.3 信号变换与反射系数估计
    6.3 数值模拟实验2–关于参数偏差与观测噪声的讨论
        6.3.1 索力偏差
        6.3.2 抗弯刚度偏差
        6.3.3 测点间距偏差
        6.3.4 观测噪声
    6.4 数值模拟实验3–同时考虑参数偏差与观测噪声
    6.5 本章小结
总结与展望
致谢
参考文献
攻读博士期间发表的论文及参加的科研项目
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]桥梁拉索损伤声发射监测研究进展[J]. 钱骥,孙利民,蒋永.  应用声学. 2016(04)
[2]面向缆索危险的缆索承重桥梁健康监测系统研究[J]. 唐亮,贾云武,王戒躁.  公路. 2015(11)
[3]基于组合函数响应面的桥梁有限元模型修正[J]. 张松涵,高芳清,张伟伟.  重庆交通大学学报(自然科学版). 2015(05)
[4]基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展[J]. 刘增华,徐庆龙,董拓灿,龚裕,何存富,吴斌.  实验力学. 2015(02)
[5]单根吊索断裂时自锚式悬索桥强健性分析[J]. 沈锐利,房凯,官快.  桥梁建设. 2014(06)
[6]基于试验数据的吊拉组合模型桥梁有限元模型修正[J]. 单德山,孙松松,黄珍,吕天德,李乔.  土木工程学报. 2014(10)
[7]悬索桥主缆检测及承载力评估现状与发展[J]. 陈小雨,沈锐利,唐茂林.  重庆交通大学学报(自然科学版). 2013(S1)
[8]基于径向基函数响应面方法的大跨度斜拉桥有限元模型修正[J]. 周林仁,欧进萍.  中国铁道科学. 2012(03)
[9]武夷山公馆大桥垮塌 生命大营救[J]. 陈祥华.  安全与健康. 2011(16)
[10]南昌市八一大桥斜拉桥换索工程施工监控[J]. 周诚华,梅秀道.  世界桥梁. 2011(02)

博士论文
[1]大跨度悬索桥主缆弯曲刚度效应及二次应力研究[D]. 严琨.西南交通大学 2015
[2]基于波谱单元法的结构动力分析[D]. 张俊兵.华中科技大学 2011
[3]大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发[D]. 唐茂林.西南交通大学 2003

硕士论文
[1]短索振动特性及参数识别研究[D]. 王语嫣.西南交通大学 2017
[2]基于组合函数动力响应面的桥梁有限元模型修正[D]. 张松涵.西南交通大学 2013
[3]利用超声导波进行管道裂纹检测的数值模拟和实验研究[D]. 程载斌.太原理工大学 2004



本文编号：3674053