[发明专利]疲劳损伤过程中快速跟踪频率的方法

说明书

本发明涉及一种结构疲劳试验过程中快速跟踪固有频率的方法，所述方法分析结构损伤前后的频响函数变化，从中找到频响函数变化与固有频率变化之间的关系，以此找到实现固有频率跟踪的方法。

技术领域

本发明涉及结构损伤动态特性测试技术领域，具体为一种疲劳损伤过程中快速跟踪频率的方法。

背景技术

当结构受到疲劳损伤破坏时，结构的动态特性将随之改变。尤其是以裂纹为主的一系列损伤状况的出现会导致结构刚度的减小，从而导致结构的模态参数，包括固有频率，模态阻尼及振型参数发生改变，进一步导致结构产生的响应也最终翻身改变。很多文献对基于固有频率、模态振型等的结构故障监测进行了研究。其中固有频率的降低很容易，所以很多疲劳损伤研究就是基于这种特征，并受到很多学者的关注。很多学者在一些数值方法和冲击波方法中已经开始运用这种检测手段；与此同时，另一些学者通过加载简谐激励来测得动响应，通过动响应的特征变化来研究疲劳损伤现象。

在疲劳损伤的理论研究上，1847年A沃顿提出S-N疲劳寿命曲线和疲劳损伤极限的概念，奠定了疲劳损伤破坏的几点强度理论基础，是目前工程应用中最广泛的一种疲劳损伤理论；1963年，P.C.Paris用断裂力学的方法给出了裂纹扩展规律的著名关系式——Paris公式，并发展了“损伤容限设计”；1963年Rabouthnov提出了损伤因子的概念，1977年Janson等人提出了损伤力学，经过几十年的发展，逐步发展出连续损伤力学理论和微观损伤力学及基于微观的唯象损伤理论，成为工程结构疲劳损伤破坏与疲劳寿命预测研究的重要力学分析手段。

在1990年Krawczuk等人提出“等效刚度”理论来表现裂纹带来的各种引起参数变化的效应，从而使得研究问题在方法处理上变得更加的简单和方便，并用数值模拟的方法模拟了不同工况下的悬臂梁状况；Kim and Zhao使用谐波响应来探测结构的裂纹，并推导出对裂纹位置有深度有很强敏感度的边坡效应的近似方程；Douka等人在悬臂梁的裂纹检测中运用了瞬时频率和经典模态分解的方法，推出瞬时频率的变化和谐波失真的增加都与结构的裂纹深度有关；Ruotolo等人在判断悬臂梁的裂纹尺寸和位置的研究采用了受迫振动响应；Pugno and Surace在分析一个在不同位置上有不同尺寸裂纹的悬臂梁在正弦激励下的响应时，运用了谐波平衡法，发现裂纹的数目、位置以及深度决定频谱上高次谐波的出现，并能节省很多时间。

在基于模态参数的损伤诊断中，很多学者也做了很多研究，提出不少理论。1986年Walter和M.West提出了利用模态置信因子(MAC)诊断结构的损伤位置。而A.J.Lieven和D.J.Ewins在MAC的基础上提出了坐标模态置信因子COMAC。1991年Pandey等人提出了曲率模态振型指标，它比MAC和COMAC对于损伤更加的敏感。1992年Yao提出通过测试结构损伤前后的模态应变能变化进行损伤诊断。1994年Pandey和Biswas提出了基于测试结构柔度矩阵的损伤诊断方法。

国内也有很多学者对疲劳损伤导致结构动响应特征的影响做了很多研究。1993年黄迪山、童志钫、孙月明等人在论述故障动力学机理中分析了裂纹叶片对转子动平衡和震动调制的影响。

应用传递矩阵法求解裂纹叶片振动特性也被很多学者使用。1997年徐可君等疲劳损伤产生裂纹的悬臂梁为计算实例，分析了疲劳损伤产生的裂纹位置、深度对悬臂梁弯曲模态动态特性的影响。同年徐可君等分析了两条横向的裂纹对叶片弯曲模态固有频率的影响，并通过分析效果发现单纯选用固有频率识别裂纹参数，会过低估计裂纹严重程度；

由于之前大多数研究中认为疲劳裂纹就是开口裂纹，并用开口裂纹为研究对象，而不考虑到裂纹的开合作用。这样做过于的简化了疲劳裂纹，无法得到疲劳损伤后结构的真实的动态特性。1999年杨海燕用传递函数矩阵的方法分析带有疲劳裂纹的悬臂梁的动态响应。并用余弦函数模拟裂纹开合情况，最终得出裂纹不仅会导致固有频率的降低，而且会引起受迫振动的非线性特征。