[发明专利]一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法

说明书

本发明公开一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法。采用有限元建模方法构建多种具有不同深度和位置的裂纹损伤的循环对称结构的有限元分析模型，通过对模型进行特征值分析，计算频率分裂指标并对其进行曲面拟合，建立各节径频率分裂指标与裂纹深度和扇区角间的函数关系。通过比较一到四节径频率分裂指标与其对应的固有频率之比，实现对裂纹损伤的定性识别。针对有裂纹的结构，采用二节径与三节径模态振型中节径线的交点识别裂纹的位置，并通过实测结构的二节径与三节径频率分裂指标值，识别裂纹的深度。本发明可为循环对称结构裂纹损伤的定量识别提供有效手段。

技术领域

本发明属于结构动态测试与损伤识别领域，更具体地说是涉及一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法。

背景技术

循环对称结构是一类广泛应用于机械与土木工程等领域的重要结构，如齿轮传动系统中的齿轮、航空发动机中的叶盘、离心压缩机中的叶轮、风力发电机中的风车等。循环对称结构常常工作在高速、高温、高压、疲劳、腐蚀等恶劣环境下，长期承受着交变载荷的作用，容易在结构的薄弱环节萌生疲劳裂纹。

裂纹是循环对称结构中的常见故障，由于交变载荷的作用，裂纹常常出现在沿径线方向，针对径向分布的裂纹损伤的有效识别对于确保循环对称结构的安全性具有重要意义。

由于裂纹损伤具有难发现、易扩展、强破坏的特点，若不能及时发现裂纹损伤，轻则影响设备正常工作，重则会造成机毁人亡的严重事故。鉴于裂纹损伤的严重后果，在过去的几十年中，国内外专家学者针对不同领域、不同类型结构的裂纹损伤问题通过研究取得了一定的成果。但是，这些关于裂纹损伤的研究主要集中于转子、梁、板、壳等相对简单结构上，迄今仍未有针对循环对称结构的裂纹损伤识别方法的公开报导。

现有技术中，关于结构裂纹损伤识别应用较为广泛的是基于固有频率信息的方法，是直接通过固有频率的偏移来识别裂纹的有无及裂纹的大小，但这种方法难以识别小裂纹，且容易受到外部信息的干扰，往往只能识别较为严重的裂纹损伤；另有基于模态振型信息的方法，但仅仅被用于识别裂纹的位置。

发明内容

本发明是为避免现有技术所存在的不足，提供一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法，通过充分利用循环对称结构的独特结构特征，构建节径频率分裂指标，通过单次测量中的同节径固有频率相对变化来反映裂纹损伤信息，并借助模态振型信息实现裂纹的定位，进而实现对裂纹损伤的定量识别。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法的特点是：

所述裂纹为循环对称结构中自外圆周起指向中心的径向裂纹；

将所述循环对称结构划分为多个扇区，所述扇区为循环对称结构中的最小对称单元；

由裂纹深度和裂纹位置表征裂纹损伤情形，所述裂纹深度是指裂纹在沿径向上的长度；所述裂纹位置由扇区角进行表征；所述扇区角是指裂纹所处径线与裂纹所在扇区的扇区右侧边界径线之间的夹角；；

所述定量识别方法是按如下步骤进行：

步骤1、构建频率分裂指标与裂纹深度d和扇区角θ间的函数关系S_i(d,θ)