[发明专利]一种基于模态应变能的损伤发生的判断方法

说明书

本发明涉及一种基于模态应变能的损伤发生的判断方法，所述方法包括对分析对象建立有限元模型；对分析对象进行多次模态测试，每次测得其前五阶模态振型；基于有限元求解器，得到其各单元的局部刚度矩阵；将各单元局部刚度矩阵按照节点位置填入总刚度矩阵，得到各单元的刚度贡献值；分别求解出每次测量中各单元的模态应变能；按照测量的先后次序，对单元每次测量所得模态应变能向量与初次测得的模态应变能向量做相似度计算，并将各单元的相似度相加，作为损伤是否发生的方法。

技术领域

本发明属于结构建模及评估领域，特别是一种基于模态应变能的损伤发生的判断方法。

背景技术

结构损伤前后模态应变能变化是较常用的损伤识别算法之一，该方法是基于如下的假设：将结构分解为一系列单元，计算结构损伤前后每个单元的模态应变能变化，而部分模态振型在结构损伤附近发生局部突变，故模态应变能在结构中的分布将发生变化，所以可以通过比较各个单元模态应变能的变化来进行是否有损伤发生的识别。

但在实际运用中发现，由于实际中机构的结构复杂，单元众多，能够测量的自由度远小于有限元模型总自由度，且每个单元都计算单元模态应变能的变化将造成很大的计算成本。

如何通过各阶模态应变能的变化来确定是否有损伤发生，是该方法从理论走向实际应用中必须解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，公开了一种基于模态应变能的损伤发生的判断方法，能够准确判断两次测量之间有无损伤的发生，并为后续基于模型的结构状态评估、剩余寿命计算等工作提供了有力保证。

本发明公开了一种基于模态应变能的损伤发生的判断方法，该方法包括如下步骤：

1)建立分析对象的有限元模型，将所述分析对象划分为单元，令m为其有限元模型的单元总数；

2)试验数据采集：根据所述分析对象的几何结构，设计传感器排布，记相邻单元间的连接点为节点，测量并记录所述分析对象各节点的振动，汇总求得所述分析对象的模态频率与振型；重复2)的操作，多次测量实验对象的模态频率与振型；

3)有限元模型的初始修正：以实验测得的前5阶模态频率为目标值，应用基于模态频率的灵敏度修正，对有限元模型的初始物理参数进行修正，并计算模型中各单元的局部刚度矩阵；

4)各单元刚度贡献值的计算：以节点的位置为基准，将单元的局部刚度矩阵，装填入整体模型的刚度矩阵，从而获得各单元对模型整体的刚度贡献值；

5)模态应变能的计算：通过所述整体模型的阵型计算得到有限元模型以及实验模型的模态应变能(Modal Strain Energy，MSE)；

6)根据所述单元各阶模态应变能向量得到所述分析对象是否发生结构刚度损伤。进一步的，所述有限元模型以及实验模型的模态应变能(Modal Strain Energy，MSE)均通过模型的振型，经由下式计算得出：

其中，{Φ_rⁿ}为第n次测量结果中第r阶的模态振型，[K]_j表示第j个单元的刚度贡献值，则MSE_jrⁿ为第n次测量结果中第j个单元的第r阶模态应变能。

进一步的，在所述步骤6)中，为模型中每个单元定义其模态应变能向量，所述模态应变能向量由此单元各阶模态应变能按照模态阶次排列而成，即：

MSEvec_jⁿ＝{MSE_j1ⁿ,MSE_j2ⁿ,...,MSE_jrⁿ} (2)