[发明专利]一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法

说明书

本发明公开了一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法。该方法在裂纹位置和裂纹等效刚度的可能取值范围分别选取一系列的样本点，将这些样本点作为梁结构动力学分析的输入参数，求解裂纹梁故障数据库，进而绘制以裂纹位置和等效刚度为输入的结构前三阶固有频率影响曲面；然后对梁结构进行振动测试，采用获得的结构前三阶固有频率去截取固有频率影响曲面，绘制出前三阶固有频率影响曲线，三条固有频率影响曲线的交点可以测量出裂纹的等效刚度和相应位置。该方法适用于梁结构中不同类型和形状裂纹的等效刚度测量。

技术领域

本发明属机械设备故障诊断领域，具体涉及一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法。

背景技术

随着科学技术的进步和现代工业的发展，对机械设备的维护提出了越来越高的要求，作为大型复杂结构的重要承力单元，梁类结构在工程实践中有着广泛的应用(如航空航天、机械设备、桥梁结构等)，在长期交变应力或冲击荷载的作用下，结构常常会产生裂纹。裂纹的产生和不断的扩展，常常使结构发生断裂失效，最终导致灾难性事故的发生。因此，梁结构的裂纹检测是工程项目安全的重要保证。随着裂纹的发生和扩展，裂纹等效刚度也会产生相应的变化，这种变化能够在有效地反映结构的损伤程度和特征。因此，对裂纹等效刚度进行研究，对梁结构裂纹检测具有十分重要的意义。

任何结构都可以看作是由质量、阻尼与刚度矩阵组成的动力学系统，一旦结构中裂纹等效刚度发生变化，则会导致系统振动模态参数(振型、振幅、固有频率等)的改变。所以通过寻找模态参数与结构损伤的关系，可以利用模态参数的变化来识别裂纹等效刚度。在振型、振幅、固有频率等模态参数中，固有频率易于测量，且具有较高的精度。由此，本发明提出了一种利用结构的固有频率来测量梁结构裂纹等效刚度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法。该方法在裂纹位置和裂纹等效刚度的可能取值范围分别选取一系列的样本点，将这些样本点作为梁结构动力学分析的输入参数，求解裂纹梁故障数据库，进而绘制以裂纹位置和等效刚度为输入的结构前三阶固有频率影响曲面；然后对梁结构进行振动测试，采用获得的结构前三阶固有频率去截取固有频率影响曲面，绘制出前三阶固有频率影响曲线，三条固有频率影响曲线的交点可以测量出裂纹的等效刚度和相应位置。该方法适用于梁结构中不同类型和形状裂纹的等效刚度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案是来实现的：

一种梁结构裂纹等效刚度的测量方法，该方法包括下述步骤：

1)梁结构中裂纹可以用扭转弹簧来描述，扭转弹簧的刚度表示了裂纹等效刚度；在裂纹位置和裂纹等效刚度的可能取值范围分别选取一系列的样本点，将这些样本点代入到有限元模型中，得到裂纹梁振动的特征方程；

2)求解裂纹梁振动的特征方程，获得裂纹梁故障数据库，进而绘制以裂纹位置和裂纹等效刚度为输入的结构前三阶固有频率影响曲面；

3)通过对裂纹梁进行振动测试，提取其前三阶固有频率；

4)将实测的前三阶固有频率作为输入，截取前三阶固有频率影响曲面，获得前三阶固有频率影响曲线，利用三条影响曲线的交点测量出裂纹等效刚度。

进一步，所述步骤1)中，得到裂纹梁振动的特征方程，包括下述步骤：

1)用扭转弹簧来描述梁结构中的裂纹，则结构模型可以表示为通过扭转弹簧连接起来两段无裂纹梁，扭转弹簧的刚度即为裂纹等效刚度；

2)在裂纹位置和裂纹等效刚度的可能取值范围分别选取一系列的样本点，将这些样本点作为梁结构动力学分析的输入参数；

3)将裂纹位置和裂纹等效刚度的样本点输入到有限元模型中，得到裂纹梁振动的特征方程为：

|K(k,β)-ω_i²M|＝0