旋转梁振动分析及其损伤检测

摘要

旋转机械结构在航空工程领域应用广泛，如直升机旋翼、涡轮叶片等，这些机械结构由于工作环境的恶劣极易发生故障，因此对旋转机械结构的损伤检测进行研究十分必要。基于振动的结构损伤检测方法具有无损性、全局性、高效性和实时在线监测等优势，而分析结构的动力特性是进行损伤识别的前提。 本文首先总结了旋转梁结构振动特性分析的国内外研究现状，并介绍了主要几种方法，包括假设模态法、幂级数解法、Adomian修正分解法、动态刚度法，随后总结了基于振动的结构损伤检测的研究现状及其发展趋势，重点回顾了几类方法，主要包括：基于固有频率的方法、移动质量法、基于模态振型参数的方法、基于神经网络的方法。 其次以变截面旋转梁为研究对象，运用动态刚度法分析了梁结构固有振动特性，并考虑了转速、转轴半径、截面渐变系数对振动特性的影响。建立了旋转裂纹梁集中柔度模型，研究了旋转梁结构发生裂纹损伤时，其固有振动特性的变化，并着重阐述了裂纹损伤和转速对振动特性的联合影响机理。结果表明：裂纹损伤导致旋转梁固有频率衰减，当裂纹位于梁的固定端附近时，固有频率衰减量最大。裂纹损伤程度和转速的变化并非独立影响梁的振动特性，两者间具有耦合作用效应。 随后利用曲率模态法和柔度曲率法进行裂纹损伤识别，引入了两种损伤检测指标（曲率模态差、柔度差曲率），并对比分析了各损伤指标对于裂纹位置、深度的敏感程度以及转速对损伤检测的影响。结果表明：曲率模态差指标和柔度曲率差曲率指标均对裂纹损伤十分敏感，均有很好的损伤识别能力，而且对多裂纹损伤同样有效。 最后建立了移动质量块—裂纹梁模型，通过移动质量法计算出固有频率曲线并结合Higuchi和Katz两种分形维数理论得到分形维数曲线（HFD、KFD），并分析了两种分形维数曲线对于裂纹位置、深度的敏感程度以及移动质量块大小和转速对损伤检测的影响。结果表明：固有频率曲线的HFD和KFD曲线均能有效地判断出损伤位置，而且对损伤程度也具有很好的敏感性，并且对多裂纹损伤识别也具有一定的有效性。

目录

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 旋转梁振动分析方法及国内外研究现状

1.3 结构损伤检测方法及国内外研究现状

1.4 本文研究内容和结构安排

1.5 本章小结

第二章 用动态刚度法分析旋转梁横向振动特性

2.1 引 言

2.2 旋转梁模型

2.3 动态刚度法

2.4 数值计算

2.5 本章小结

第三章 含裂纹旋转梁振动特性的研究

3.1 引 言

3.2 含裂纹梁集中柔度模型

3.3 数值计算

3.4 本章小结

第四章 基于模态振型的旋转梁损伤检测

4.1 引 言

4.2 旋转裂纹梁模型

4.3 损伤检测方法

4.4 单裂纹损伤识别

4.5 双裂纹损伤识别

4.6 本章小结

第五章 移动质量法结合分形维数理论的损伤检测

5.1 引 言

5.2 质量块—裂纹梁模型

5.3 分形维数理论概述

5.4 分形维数理论在损伤检测中的应用

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

附录

附录A 高阶曲线不连续点的识别

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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