第3卷第1期 长沙理工大学学报(自然科学版) V01.3 No.1 2006年3月 Journal ofChangsha University ofScience and TechnologylNatural Science) Mar.2OO6 文章编号:1672—9331(2006)O1—0027—04 基于模态应变能法识别板类结构损伤的数值研究 王锋 ,李毅谦 ,李传习 (1.长沙理工大学桥梁与结构-r程学院,湖南长沙410076;2.中国路桥集团,北京10001 1) 摘要:应用模态应变能理论得到了能用于板类结构损伤的识别指标.假定结构存在不同位置和不同程度的 损伤,运用Ansys进行有限元分析,得到板损伤前后的前五阶模态.然后再运用Mathematics软件,编程计算 结构的各单元的损伤指标.数值模拟结果表明,损伤指标在损伤单元处的数值是最大的.因此,采用本研究提 出的损伤指标,对板类结构进行损伤定位识别是可行的. 关键词:板类结构;损伤识别;模态应变能 中圈分类号:U443.31 文献标识码:A 结构的损伤会导致结构刚度、柔度和频率等物理参数的改变.损伤通常会引起结构刚度的降低、阻尼 的增大,进而会引起结构动力特性的改变,如:各阶自振频率的降低和振型的改变.桥面板是整个桥梁结 构中直接承受载荷的部分,在使用过程中可能会出现局部的损伤。由于应力集中、钢筋腐蚀、疲劳裂缝等 诸多因素的影响,桥梁局部损伤会不断扩展,导致整个结构的承载能力下降,甚至造成整个结构的破坏. 在板类结构的损伤诊断中,损伤定位是关键的一步,用模态应变能方法来判别损伤,综合考虑了振型、频 率、整体及单元刚度等因素,因此,该方法比其它判别方法对损伤有更强的敏感性. Cawley和Adams…以及Hearn和Testa 等提出结构损伤前后任意两阶频率变化的平方之比只是损 伤位置的函数.Pandey和Biswas[3- 等在利用柔度变化进行损伤识别方面做了有益的研究.Stubbs 等 基于模态应变能概念提出用损伤指标法来识别结构的损伤,并将这一方法应用于梁结构和板结构的损伤 识别中.Shi C7,s]等采用模态应变能的变化率作为结构损伤指标,在对梁结构和平面刚架结构的损伤定位 和损伤程度判别方面,都做了卓有成效的研究.本研究以结构损伤前后单元模态应变能变化为指导思想, 提出能反映结构损伤定位的损伤指标 ,并以一四边简支的矩形薄板为研究对象,通过数值仿真来进行 板的损伤识别定位研究,并对所用识别方法的有效性进行了验证. 1基本理论 考虑在坐标系Oxyz下的矩形薄板,沿 轴方向的长度为口,沿Y轴方向的宽度为b,沿z轴方向的厚 度为h.一般地,结构损伤仅使结构的刚度降低而不会影响结构的质量分布,分析中以板的抗弯刚度由D 降低为D’来模拟结构的损伤. Kirchhof板的应变能为: U= D¨I 02w) +(雾) +2t,( )(雾)+2(-一 )、(狮02 w], 】 (1) 式中:D为板的抗弯刚度,D=Eh /【12(1—192)】;E为材料的弹性模量; 为材料的泊松比; 为板的挠度. 设第i阶模态为 ( ,Y),则第f阶模态对应的应变能为: 收稿日期:2005-06-29 作者简介:王锋(1973一),男,河南驻马店人,长沙理工大学硕士研究生,主要从事桥梁损伤方面的研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com
28 长沙理工大学学报(自然科学版) 2006年3月 = r【(鲁 0 2d), ̄2+2v[\O2 dAl(\a2 ¥il』+2( )f OxOy/门 (2) 将板沿 轴方向等分成 个子部分,沿,,轴 方向等分成 个子部分(如图1所示),则第 子 y 区域在第i阶模态下的应变能为: b (1, ) (札,肌) = 门㈢ +f Oy:J 6hJ 2 \fOx2) ̄ Oy2 1+2(1一 )f 1( ,后) dxd),= b OxOy/ 丢t币社九 】{币社)- (3) (1,1) (ⅣI。1) O o4 %“ 若币,( ,,,)表示损伤板结构的第i阶模态,则 损伤板结构中的第 子域在第i阶模态下的应变 图1板分成 × 个子区城的示意图 能为: =等 聃(等 盟Oy2] 2 f盟Ox2 J\f等)+2( (鬻) dxdy= ‘}{币 }T[ ]{咖鑫}. (4) 式中: 表示损伤后的状态. 第i阶模态下,第 子域的模态应变能变化为: △ =告{币鑫}T[ -I{币 }一 {币 t [ ]1 4, }. (5) 由于有损板结构在损伤区域内的刚度是未知的,所以近似取【麟】=【 】,则式(5)可变为: △£, =告{币 }T[ ]{币 }一÷{币社} [ ]{币 }. (6) 定义第i阶模态下第 子域内的损伤指标为: U豳一 ~U — 。 (7) 式中: 和 分别为均值和标准差,即: N 1 蛳 荟 △ ; (8) (9) O'AU ̄ 考虑前m阶模态对损伤指标的贡献,则损伤指标为: = 耋 . (1O) 通过计算氟的值即可判定结构的损伤位置. 2数值模拟及结果 以四边简支矩形钢筋混凝土板为例,其几何尺寸和材料参数取为:a=1.5 m,b=1.0 m,板厚h= 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3卷第1期 王锋,等:基于模态应变能法识别板类结构损伤的数值研究 29 0.006 nl,材料的弹性模量E=3.0 x 10加N/m ,泊松比移=0.2,密度p=2.6 x 10。ks/m。 引.将板划分为 15×10个单元,假设在板的某一处或某几处存在损伤(如图2所示),抗弯刚度损失分别为10%,20%, 50%(如表1所示).运用结构计算软件Ansys建立有限元模型进行模态分析,得到无损和有损两种状态 下板自由振动的前五阶频率和模态,然后再运用Mathematics软件编程计算结构的各单元的损伤指标 , 若靠的值越大,则发生损伤的概率也将越大,由此可确定损伤的位置, 表1损伤工况一览表 损伤位置(第36单元) 图2存在损伤的简支板的有限元模型 妪 首先研究单个单元损伤分别为10%,20%,50%的情况.此时,假设第68号单元存在损伤,计算结果 加 :3 m 如图3—5所示.由图3—5可以看出,在受到损伤的68号单元处,损伤指标 值最大,距离68号单元较 近的单元 值较大,而在距离损伤单元较远处的单元 值很小.由图3~5也可得到,随着损伤程度的不 断增大,损伤单元的损伤指标 也会跟着变大;对于多处单元存在损伤的情况,此时仅假设第36号和第 102号单元存在不同程度的损伤情况,很明显可以看到 的峰值也出现在这两个单元的位置处,由此可 以判定损伤的位置(如图6—8所示). ^^^ 粪 螭 10 图3单元刚度降低10%,存在一处损伤 图4单元刚度降低20%,存在一处损伤 0 豳5单元刚度降低50%,存在一处损伤 圈6单元刚度降低10%,存在二处损伤 维普资讯 http://www.cqvip.com
长沙理工大学学报(自然科学版) 2OO6年3月 U 蜷 鏊 糈 骣 O 0 围7单元刚度降低20%。存在二处损伤 图8单元刚度降低50%,存在二处损伤 3结论 通过数值模拟分析,研究了板类结构的损伤识别问题,得到以下结论: 1)本研究根据单元模态应变能的改变导出的损伤指标 ,5 O =5 3 O 5 . 0 ∞ 在只用前几阶模态分量的情况下,能够较 准确地识别板类结构一处及几处的损伤定位问题. 2)当板存在较小的损伤时,用前五阶模态亦能给出结构的损伤定位,这对于判定土木工程结构损 伤,在理论上具有重要的参考价值. 3)对于土木工程结构,一般情况下无法测到完整的模态数据,而且高阶模态测量数据也常常很难精 确测到.该指标用前几阶模态能进行较精确的损伤识别定位,证明这种方法用于损伤识别是简便有效的, 因此,本研究提出的理论和方法可推广应用于桥面板结构的损伤识别问题. [参考文献] [1] P Caw|ey。R D Adams.The lcoation ofdefects in structttres from measurement 0fnatural frequeneles[J].Journal ofStrain Analysis,1979,(14):49-57. [2] C I-Ieam,R B Testa.Modal蚰alysis for damage detection in structures[J].Journal of Structural Englneedng,1992, 117(10):3 042-3 063. [3] A K Pandey。M Biswas.Damage detection in strenttters using changes in lfexibility[J].Journal of Sound and Vlbmtlon, 1994,(169):3-17. [4] A K Pandey.M Biswas.Experimentla veriifcation offlexibiilty diference method forlocating damage in struck.re[J].Jour- nal fo Sound nad Vibration,1995,184(2):311-328. [5] N Stubbs,J T IGm,K'rop ̄.An eficient nad robust algorithm for damage lcoalization in offshore plaftorms[A].ASCE 10th Su'uetures Congress 92[C].USA:San nAtonio Tx,1992.543-546. [6] B H Kim,N Stubbs,T Park.Flexura].damage index equations of a plate[J].Jounud 0f Sound and Vibraiton,2005, (283):341-368. [7】 z Y Slli,S S Law,Zhang L M.Structured damage localization from lIIOd ̄strain energy change[J].Journal fo oSund and Vibration,1998,218(5):825.844. [8] zY ,s SLaw,LMZhang.Structural damagedetectionfrommodal strain energy change[J].JournalofEngineeringMe- chanlcs,2000,126(12):1 216-1 223. [9] 邬晓光,邵新鹏,万振江.刚架桥[M].北京:人民交通出版社,2001.123-132. (下转至第柏页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
长沙理工大学学报(自然科学版) 2OO6年3月 96o890.1996. [3]许德,熊坚,王涛.道路交通事故再现初探[J].云南工业大学学报,1998,(4):13—16. [4]郑建荣.ADAMs一虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2003. [5]阳兆祥.交通事故力学鉴定教程[M].广西:广西科学技术出版社,2002. [6]MSC Software.MSC ADAMS/VIEW高级培训教程[M].北京:清华大学出版社,2004. The rapid simulation of impact accident reconstruction YANG Zhao,LEI Zheng—bao,ZHOU Yu (Insittute of Trafifc Accident Prevefion and Assessmelt Technology,Changsha University of Science and Technology,Chanssha 410076,China) Abstract:In the ADAMS software platform,developed special purpose model is developped to reappear the im— pact accident,main parameters are recorded in the accident scene input contact surface on which the accident parameter is input,i.e.,parametrization accident model Call be established using these parameters。The whole process of trs ̄C accident is simulated and reappeared using three—dimensioned method。The application indi— cates that this model is suitable to reappear the whole process of tragic accident. Key words:trail%accident;impact;reconstruction;ADAMS (上接第3O页) Numerical research on plate-like structure damage identiifcation based on modal strain energy WANG Feng ,U Yi—qian。,LI Chuan xi (1.College of Bridge and Structure Engineering,Changsha University fo Science nad Technology, Changsha 410076,China;2.China Road and Brldge Corporation,Beijing 100011,China) Abstract:Based on the theory of modal strain energy,a damage index is deduced to identify the plate-like structure damage.Supposing that htere lie some diferent damage positions and extents in structure,the Software Ansys is applied to obtain hte fisrt five modes of plate structure before or after damage using Finite Element A— nalysi3,and then every element damage index in structure is calculated using the Sofwtare Mathemaitcs pro. gram.The numeficM results show that the damage index value in the damage element is the biggest one.It is concluded htat the proposed damage index is feasible for the damage localization of plate—like structures. Key words:phte—like structure;damage identificati0矗;modal strain energy
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