一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术可为循环对称结构裂纹损伤的定量识别提供有效手段。

【技术实现步骤摘要】
一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术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Si(d,θ)采用有限元建模方法构建包含有设定系列的裂纹损伤情形的循环对称结构的有限元分析模型；对于所述有限元分析模型进行特征值分析，获得与每一种裂纹损伤情形一一对应的第一节径到第四节径的各节径固有频率对，每一节径固有频率对均有两个固有频率值；针对每一种裂纹损伤情形，计算获得一一对应的各节径频率分裂指标，所述节径频率分裂指标为对应节径固有频率对中两个固有频率值的差值；利用计算获得的各节径频率分裂指标，通过曲面拟合法得到各节径频率分裂指标与裂纹深度d和扇区角θ之间的函数关系Si(d,θ)，以i表示第i节径，i＝1,2,3,4；即：第1节径函数关系S1(d,θ)、第2节径函数关系S2(d,θ)、第3节径函数关系S3(d,θ)和第4节径函数关系S4(d,θ)；步骤2、定性识别裂纹损伤针对待测循环对称结构，采用锤击法选定任意测点进行测量，获得第一节径到第四节径的各节径固有频率对测量值，以所述各节径固有频率对测量值中两个固有频率值的差值一一对应作为各节径频率分裂指标测量值Fi,i＝1,2,3,4，由式(1)计算获得第一节径到第四节径各节径的比值参数ri：式(1)中，fiL为第i节径固有频率对测量值中数值大的一个固有频率值；若各节径的比值参数ri均不大于0.1％，判定待测循环对称结构中无裂纹损伤；若有任一节径的比值参数ri大于0.1％，判定待测循环对称结构中存在有裂纹损伤；步骤3、定量识别裂纹损伤针对存在裂纹损伤的待测循环对称结构，按如下步骤识别裂纹的位置和深度：步骤3.1：在待测循环对称结构的每个扇区相同位置上各布置一个测点，通过对所有测点进行模态测试分别获得第二节径模态和第三节径模态的模态振型，并获得第二节径和第三节径的各节径固有频率对测试值；根据第二节径和第三节径模态振型中的节径线获得裂纹扇区角，是以第二节径和第三节径模态振型中节径线的交汇点所在的扇区角作为裂纹扇区角θ0，实现裂纹定位；步骤3.2：将所述裂纹扇区角θ0作为已知参数，根据步骤1中建立的第二节径函数关系S2(d,θ)和第三节径函数关系S3(d,θ)一一对应获得第二节径频率分裂指标与裂纹深度的一维函数关系以及第三节径频率分裂指标与裂纹深度的一维函数关系以步骤3.1中获得的第二节径固有频率对测试值中两个固有频率值的差值作为第二节径频率分裂指标测试值；并以步骤3.1中获得的第三节径固有频率对测试值中两个固有频率值的差值作为第三节径频率分裂指标测试值；将所述第二节径频率分裂指标测试值作为已知参数，根据一维函数关系计算获得裂纹深度d2；并将所述第三节径频率分裂指标测试值作为已知参数，根据一维函数关系获得裂纹深度d3；取d2与d3的平均值作为裂纹深度d0，实现裂纹深度的识别。本专利技术循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法的特点也在于按如下方式构建包含有设定系列的裂纹损伤情形的循环对称结构的有限元分析模型：采用有限元方法对循环对称结构进行离散，按裂纹所在径线将循环对称结构分割为两个子结构，即：子结构G1和子结构G2，分别获得子结构G1和子结构G2的质量矩阵、刚度矩阵与节点自由度向量；子结构G1和子结构G2的公共界面是由裂纹界面与连接界面所构成，根据实际分析的裂纹损伤情形确定所述裂纹界面的大小和形状，连接界面为公共界面除去裂纹界面的部分；将子结构G1和子结构G2的连接界面进行合并，根据连接界面合并后所对应的节点自由度的变换得到自由度变换矩阵T；将子结构G1和子结构G2的质量矩阵按对角线方式排列集成，获得集成质量矩阵M；将子结构G1和子结构G2的刚度矩阵按对角线方式排列集成，获得集成刚度矩阵K；则有：所述循环对称结构的有限元分析模型中的质量矩阵为：所述循环对称结构的有限元分析模型中的刚度矩阵为：完成建模。本专利技术循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法的特点也在于按如下方法建立各节径频率分裂指标与裂纹深度和位置间的函数关系：针对所建立的循环对称结构的有限元分析模型进行特征值分析，获得与每一种裂纹损伤情形一一对应的第一节径到第四节径的各节径固有频率对；对于裂纹深度dm、扇区角θn的裂纹损伤情形，第i节径频率分裂指标为第i节径固有频率对中两个固有频率值的差值，即：裂纹深度dm、扇区角θn的裂纹损伤情形下的第i节径函数关系Si(dm,θn)为：Si(dm,θn)＝fiL(dm,θn)-fiS(dm,θn)；且：fiL(dm,θn)＞fiS(dm,θn)fiL(dm,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法，其特征是：/n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；/n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；/n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；；/n所述定量识别方法是按如下步骤进行：/n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

【技术特征摘要】
1.一种循环对称结构中裂纹损伤的定量识别方法，其特征是：
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Si(d,θ)
采用有限元建模方法构建包含有设定系列的裂纹损伤情形的循环对称结构的有限元分析模型；对于所述有限元分析模型进行特征值分析，获得与每一种裂纹损伤情形一一对应的第一节径到第四节径的各节径固有频率对，每一节径固有频率对均有两个固有频率值；针对每一种裂纹损伤情形，计算获得一一对应的各节径频率分裂指标，所述节径频率分裂指标为对应节径固有频率对中两个固有频率值的差值；利用计算获得的各节径频率分裂指标，通过曲面拟合法得到各节径频率分裂指标与裂纹深度d和扇区角θ之间的函数关系Si(d,θ)，以i表示第i节径，i＝1,2,3,4；即：第1节径函数关系S1(d,θ)、第2节径函数关系S2(d,θ)、第3节径函数关系S3(d,θ)和第4节径函数关系S4(d,θ)；
步骤2、定性识别裂纹损伤
针对待测循环对称结构，采用锤击法选定任意测点进行测量，获得第一节径到第四节径的各节径固有频率对测量值，以所述各节径固有频率对测量值中两个固有频率值的差值一一对应作为各节径频率分裂指标测量值Fi,i＝1,2,3,4，由式(1)计算获得第一节径到第四节径各节径的比值参数ri：



式(1)中，fiL为第i节径固有频率对测量值中数值大的一个固有频率值；
若各节径的比值参数ri均不大于0.1％，判定待测循环对称结构中无裂纹损伤；
若有任一节径的比值参数ri大于0.1％，判定待测循环对称结构中存在有裂纹损伤；
步骤3、定量识别裂纹损伤
针对存在裂纹损伤的待测循环对称结构，按如下步骤识别裂纹的位置和深度：
步骤3.1：在待测循环对称结构的每个扇区相同位置上各布置一个测点，通过对所有测点进行模态测试分别获得第二节径模态和第三节径模态的模态振型，并获得第二节径和第三节径的各节径固有频率对测试值；根据第二节径和第三节径模态振型中的节径线获得裂纹扇区角，是以第二节径和第三节径模态振型中节径线的交汇点所在的扇区角作为裂纹扇区角θ0，实现裂纹定位；
步骤3.2：将所述裂纹扇区角θ0作为已知参数，根据步骤1中建立的第二节径函数关系S2(d,θ)和第三节径函数关系S3(d,θ)一一对应获得第二节径频率分裂指标与裂纹深度的一维函数关系以及第三节径频率分裂指标与裂纹深度的一维函数关系
以步骤3.1中获...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，毕传兴，郑昌军，梁梦辉，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34