船體局部結(jié)構(gòu)的損傷識別與檢測研究.pdf

1、船舶結(jié)構(gòu)長期在惡劣的海洋環(huán)境里工作，在海水腐蝕和強烈的波浪載荷作用下，局部很容易發(fā)生損傷，如果損傷未能得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，任由其擴(kuò)展到足以影響結(jié)構(gòu)整體承載能力的程度，船舶結(jié)構(gòu)就面臨著失效的危險。一旦船舶在海上發(fā)生失效事故，不但會造成巨大的人員財產(chǎn)損失，還會嚴(yán)重影響周邊海域的自然環(huán)境，乃至造成海洋生態(tài)災(zāi)難。研究船舶結(jié)構(gòu)的損傷檢測問題，建立行之有效的檢測方法，在損傷尚處于弱小狀態(tài)時即能發(fā)現(xiàn)之并采取有效措施對其進(jìn)行處理，維持船舶結(jié)構(gòu)的安全運

2、行，具有積極的現(xiàn)實意義。
　　 本論文主要研究了船體中具有代表性的幾種局部結(jié)構(gòu)的損傷檢測問題，板、梁和板架是本文的主要研究對象，考慮到復(fù)合材料在船舶結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用逐漸增多，本文還討論了FRP三明治結(jié)構(gòu)的損傷檢測問題?；谛〔ㄗ儞Q和模態(tài)分析的損傷檢測法是本文的研究重點，對其它的一些方法也進(jìn)行了討論。
　　 對于梁結(jié)構(gòu)，首先研究了基于靜力學(xué)分析的裂紋損傷檢測問題，建立含裂紋懸臂梁的力學(xué)模型，通過理論分析明確裂紋作用等效為附加柔

3、度的力學(xué)意義，得到了梁在懸臂端垂向力作用下的撓度曲線方程；引入慣性矩系數(shù)的概念，借助有限元工具建立附加柔度與慣性矩系數(shù)之間的關(guān)系，提出了通過測量梁上兩點撓度檢測裂紋位置及評估損傷程度的方法，并通過一個含裂紋梯形截面懸臂梁的算例驗證了此關(guān)系式和檢測方法的準(zhǔn)確性。然后研究了基于小波變換和模態(tài)分析的檢測法，以損傷梁的模態(tài)為分析對象，對其進(jìn)行連續(xù)小波變換，根據(jù)得到的小波系數(shù)的模值分布狀況和利用小波系數(shù)計算得到的模態(tài)信號的點態(tài)Lipschitz指

4、數(shù)都可以反映損傷的位置信息，而對模態(tài)信號進(jìn)行離散小波分解得到的細(xì)節(jié)分量同樣可以用來確定損傷的位置。文中還討論模態(tài)信號零值點對Lipschitz指數(shù)的干擾問題、離散小波分解的最高階數(shù)的確定方法以及最大采樣間距的確定問題。
　　 利用小波工具研究板結(jié)構(gòu)的損傷檢測問題時，討論了局部腐蝕和局部貫穿裂紋兩種損傷狀況。本文采用兩步檢測法，先對板的位移模態(tài)進(jìn)行大間距二維采樣，對得到的粗模態(tài)信號進(jìn)行二維小波分解，然后通過分析對角細(xì)節(jié)分量初步確定

5、損傷的區(qū)域，進(jìn)而在初步損傷區(qū)域內(nèi)沿x向和y向分別對模態(tài)進(jìn)行加密一維采樣，計算細(xì)模態(tài)一維分量的Lipschitz指數(shù)值，并根據(jù)Lipschitz指數(shù)分布狀況確定損傷的形式和具體位置。本文還研究了基于應(yīng)變分析的板結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的檢測方法，從應(yīng)變出發(fā)建立了應(yīng)變能變化率和剩余彎矩指數(shù)，利用這兩個參數(shù)實現(xiàn)對腐蝕損傷的定位。
　　 板架是船體上的常見結(jié)構(gòu)形式，本文對這種結(jié)構(gòu)的損傷檢測問題進(jìn)行了研究，考慮到板架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，重點討論了損傷位置的

6、確定問題。對于簡單板架結(jié)構(gòu)，主要考察骨材和帶板之間的焊縫裂紋和骨材腐蝕兩種損傷。采集板在骨材處的模態(tài)信號，對其進(jìn)行連續(xù)小波變換，根據(jù)小波系數(shù)的模的分布狀況確定損傷段的位置，并通過分析損傷段梁的應(yīng)變的分布狀況判斷損傷的類型。對于更復(fù)雜的交叉板架結(jié)構(gòu)，考察板格腐蝕損傷與焊縫裂紋損傷兩種工況，采用逐步分析的辦法，先根據(jù)結(jié)構(gòu)的加速度頻響函數(shù)判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷，接著利用應(yīng)變能相對變化率作為指標(biāo)參數(shù)，考慮采樣控制點的分布，分別搜索板格腐蝕損傷和焊

7、縫裂紋損傷的損傷區(qū)域。對于焊縫損傷工況，在初步損傷區(qū)域內(nèi)對局部模態(tài)進(jìn)行采樣，對采樣信號進(jìn)行離散小波分析，最終確定焊縫的準(zhǔn)確位置。
　　 在普通鋼制梁和板的基礎(chǔ)上，考察裂紋損傷和FRP三明治結(jié)構(gòu)特有的脫層損傷，利用小波工具對FRP三明治梁和三明治板的模態(tài)進(jìn)行分析，判斷損傷的位置和范圍，并對上面板脫層和下面板脫層兩種工況進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，對于FRP三明治結(jié)構(gòu)，基于離散小波分析的檢測方法比基于連續(xù)小波分析的檢測方法具有更高的準(zhǔn)確性