基于PVDF压电传感阵列的悬臂梁结构健康监测技术研究

发布时间：2021-02-12 06:12

　　悬臂梁作为一种很常见的结构件,被广泛应用于机械,航空航天,能源,土木工程等领域。在长期服役过程中,通常会受到复杂载荷的作用,令其内部或表面容易产生裂纹,甚至可能导致重大事故的发生。因此,对于悬臂梁结构件的结构健康监测是当前工程应用领域的研究重点和热点。在众多的结构健康监测方法中,基于结构的频率等振动参数进行健康监测,具有快捷、高效和无破坏性等优点,被得到广泛应用。然而,单一采用上述各种振动特征信息,不论是从实时测量到信号特征提取以及损伤识别均存在一定的局限性,无法满足实际需求。因此,本文利用PVDF压电传感阵列结合悬臂梁振动特征提出了新的结构健康监测方法,具体分为两步:第一步,利用悬臂梁损伤前后归一化应变模态差来实现对裂纹位置及数量的识别,第二步,利用BP神经网络模型实现对悬臂梁结构损伤程度的识别。首先,将悬臂梁结构表面裂纹用扭转弹簧来替代,建立了含裂纹悬臂梁的数学模型,推导了悬臂梁结构损伤前后归一化应变模态差与裂纹参数之间的关系,利用该关系来实现对裂纹位置及数量的识别。在此基础上,将悬臂梁结构损伤前后模态频率变化量作为BP神经网络的输入参数,损伤程度作为输出参数,实现对悬臂梁结构的损... 

【文章来源】：中北大学山西省

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 结构损伤识别国内外研究现状及发展
        1.2.1 基于固有频率损伤识别研究
        1.2.2 基于振型损伤识别研究
        1.2.3 基于柔度损伤识别研究
        1.2.4 基于曲率模态和应变模态损伤识别研究
        1.2.5 基于神经网络的损伤识别方法
        1.2.6 上述方法的比较
        1.2.7 基于振动损伤识别发展趋势
    1.3 论文研究的主要内容及文章结构
        1.3.1 论文研究内容
        1.3.2 本文结构安排
2 两步法损伤识别相关理论
    2.1 两步法损伤识别过程
    2.2 悬臂梁横向自由振动方程
        2.2.1 等截面悬臂梁的振动微分方程
        2.2.2 健康悬臂梁振动分析
        2.2.3 裂纹悬臂梁振动分析
    2.3 PVDF测量应变模态振型原理
        2.3.1 PVDF传感器概述
        2.3.2 PVDF测量应变模态振型原理
        2.3.3 损伤位置识别指标
    2.4 神经网络结构健康监测原理
        2.4.1 神经网络用于损伤识别可行性分析
        2.4.2 BP神经网络概述
        2.4.3 BP神经网络模型参数选择
        2.4.4 BP神经网络模型建模过程
        2.4.5 BP神经网络损伤识别步骤
    2.5 本章小结
3 等截面悬臂梁损伤识别研究
    3.1 等截面健康悬臂梁结构模拟计算
    3.2 等截面裂纹悬臂梁结构模拟计算
        3.2.1 单裂纹损伤识别模拟计算
        3.2.2 双裂纹损伤识别模拟计算
    3.3 等截面悬臂梁损伤识别实验
        3.3.1 实验测试方案
        3.3.2 实验设备
        3.3.3 PVDF传感器阵列测量健康悬臂梁实验
        3.3.4 单裂纹损伤识别实验
        3.3.5 双裂纹损伤识别实验
    3.4 本章小结
4 小型风力机叶片的损伤识别研究
    4.1 前沿
    4.2 小型风机叶片的设计
        4.2.1 叶片翼形及其几何参数设计
        4.2.2 叶素理论与动量理论
        4.2.3 叶素理论与叶展方向的设计
        4.2.4 基于Wilson模型弦长和扭角的计算
        4.2.5 基于Matlab编程计算弦长和扭角
    4.3 小型风机叶片三维建模
        4.3.1 三维坐标转换
        4.3.2 基于Solidworks小型风机叶片三维模型的绘制
    4.4 小型叶片有限元仿真分析
        4.4.1 小型叶片模态分析
        4.4.2 单裂纹小型叶片BP神经网络模型的建立
    4.5 单裂纹小型风机叶片损伤识别实验研究
        4.5.1 叶片单裂纹损伤位置确定
        4.5.2 叶片单裂纹损伤程度识别
    4.6 本章小节
5 总结与展望
    5.1 工作总结
    5.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模态振型和平稳小波变换的悬臂梁微小缺陷识别研究[J]. 郭金泉,欧芬兰,许艺青,钟舜聪,杨晓翔.  应用力学学报. 2016(06)
[2]基于柔度相对变化率曲率矩阵的损伤结构识别方法[J]. 徐飞鸿,戴斌.  长沙理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[3]基于应变模态差和神经网络的管道损伤识别[J]. 周邵萍,郝占峰,韩红飞,张佳程,章兰珠.  振动.测试与诊断. 2015(02)
[4]基于曲率模态和BP神经网络的简支梁的损伤识别[J]. 李冬,曾春平,马琨,吴光敏.  贵州大学学报(自然科学版). 2013(06)
[5]应变模态参数曲线的结构损伤位置及程度研究[J]. 崔拥军,熊晓燕,王峰.  机械设计与制造. 2013(08)
[6]频率变化平方比向量确定结构损伤位置[J]. 董五安,杨世浩.  噪声与振动控制. 2013(03)
[7]基于多模态的神经网络的结构损伤识别方法的研究[J]. 孙杰.  武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2012(06)
[8]曲率模态及其在汽车后桥损伤识别中的应用[J]. 马立英,周鋐,彭晓俊.  同济大学学报(自然科学版). 2011(08)
[9]基于MATLAB的Wilson方法的叶片优化设计[J]. 代元军,陆亦工,孙玉新,石宁.  机械制造. 2011(07)
[10]简支梁损伤的模态曲率差值试验分析[J]. 狄生奎,花尉攀,汲生伟,张晋文.  兰州理工大学学报. 2010(06)

硕士论文
[1]基于固有频率的悬臂梁裂纹参数识别方法研究[D]. 郭隆清.南昌航空大学 2016
[2]基于曲率模态的梁桥结构损伤识别方法研究[D]. 龚垚.重庆交通大学 2016
[3]基于改进的BP神经网络多参数组合损伤识别[D]. 朱映江.重庆大学 2015
[4]小型风机叶片设计建模与有限元分析[D]. 吴迪.河北工业大学 2014
[5]基于振动模态分析和BP网络的桥梁损伤识别研究[D]. 李洪琴.山东科技大学 2010
[6]基于应变模态的结构损伤诊断方法研究[D]. 霍肖.北京邮电大学 2010
[7]小型水平轴风力机叶片设计与有限元分析[D]. 宗楠楠.上海交通大学 2009
[8]风力发电机叶片设计及三维建模[D]. 王学永.华北电力大学（河北） 2008



本文编号：3030382