基于模态参数的悬臂梁损伤识别研究.pdf

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1、基于模态参数的悬臂梁损伤识别研究郑仲浪福建省特种设备检验研究院福州350008摘要：分析了金属结构损伤对模态参数的影响，运用频率变化平方比的方法，对箱形悬臂梁的损伤进行识别。利用Ansys有限元对该箱形梁进行仿真，及通过试验进行验证，表明该方法能较准确的分析判断出损伤位置和程度。为推广到起重机的金属结构损伤检测提供理论和试验基础。关键词：起重机；箱形悬臂梁；模态参数；仿真；锤击法试验中图分类号：TH213．1文献标识码：A文章编号：1001—0785(2014)02—0069—04Abstract：Thepaperanalyzestheeffectofme

2、talstructuraldamageonthemodalparameters．Thedamageofboxcantileverbeamisidentifiedwiththefrequencychangesquareratiomethod．SimulationfortheboxbeamisperformedwithAnsysfiniteele—mentsoftware，andthroughtestverification，it’Sindicatedthattheabove—mentionedmethodcanaccuratelyanalyzethedama

3、gepositionandde~ee，whichcanprovidetheoreticandtestbasisforapplicationindamagedetectionforcranemetalstructure．Keywords：crane；boxcantileverbeam；modalparameter；simulation：hammeringmethodtest[(K+AK)一(+△)(M+△)](+△)=00引言(2)起重机作为一种主要的装卸机械，广泛应用损伤的金属结构刚度发生变化，而质量未变，于制造加工、铁路交通、港口码头等场所。起重即AM=

4、0，将上式展开并忽略2阶项可得机金属结构件在工作使用过程中，由于长期机械Aw=()／()(3)载荷、环境条件等的影响，常常会产生裂纹等损将结构的整体刚度阵分解为单元刚度阵，则伤，使金属材料的机械性能劣化，材料强度下降。单元的变形可由结构的振型求出振动分析诊断法是基于结构模态性能的损伤()=)(4)识别方法¨J。损伤的金属结构的刚度和承载能力对于i阶模态，则有将会有所下降，其模态参数也随之改变。通过研M究结构的振动特性，就能识别结构是否发生损伤，rK=∑：()()(5)并确定损伤的位置和程度。，n=l式中：为总单元数。箱形梁以其良好的力学性能在起重机结构中得

5、到广泛应用。本文以预制的箱形悬臂梁为对象进一步化简得进行金属结构损伤识别研究，通过仿真和实验分rJ1Aw=lLJ∑1((D)q()Jl／()(6)别提取损伤前后模态参数频率和振型进行分析，最终达到识别损伤的目的。为推广到起重机的金式中：．，为损伤单元数。属结构损伤检测提供理论和试验基础。若只有一个单元Ⅳ损伤，则可表示为1损伤识别原理△=[ⅣT()hkⅣⅣ]／(T)(7)假设Ak=NkN，可得对于一个多自由度结构系统，忽略阻尼的影Aw=[OLNNT()AkN()]／(TJ7l)(8)响，其振动特征方程为(K一∞)=0(1)由上式可知，当只有一个损伤单元或损伤

6、单则其振动形式可表示为元的损伤程度相近时，频率变化的平方比仅为损福建省自然科学基金资助(2012J05084)《起重运输机械》2014(2)一69—伤位置的函数。2有限元仿真本文采用预制焊接箱形悬臂梁作为研究对象，其结构尺寸如图1所示。选用的钢材为Q235，杨图2预制箱形粱有限兀模型∞∞鲫加0氏弹性模量E=206GPa，密度为Q=7800kg／m，泊松比为0．3。有限元分析采用Shell63单元，建采用刚度折减法来模拟结构构件的损伤(裂立的有限元模型图如图2所示。纹深度)，对损伤前和损伤后4类工况有限元分析如表1所示。将损伤后的工况与损伤前的丁况相比较，取

7、【国‘0I1I10iI辔I其频率平方变化比为△2／△(前5阶变化与第1一950阶变化之比)，以振动阶次凡为横坐标，以频率平一一一一方变化比△2△为纵坐标，绘制出直立方图，如图3所示。图1预制箱形梁示意图表1有限元分析得到不同工况下前5阶频率距自由端500mm距自由端700rnm加∞∞∞如0阶数无损T况1lT况2_T况3T况4深度2．5mm深度5mm深度2．5Innl深度5I／1II11阶79．24877．48477．21574．67574．0312阶241．41236．61232．94239．04237．953阶3l6．3308．95307．8308．73

8、07．64阶385．56379．13374．73382．89381