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复杂结构系统连接健康评估研究的背景及意义

已有 3660 次阅读 2015-8-26 16:40 |个人分类:科研笔记|系统分类:科研笔记| 健康, 评估, 安全性, 功能性

大型复杂的结构系统,往往是由若干部件组成的。部件之间的连接造成整体结构中存在很多的不连续界面。结构在全使用寿命周期内,受到振动、冲击和蠕变等力学环境的影响,连接界面的紧固状态较原设计情况往往会发生改变,出现预紧力降低、相对滑动甚至松脱等现象。连接状态的改变会影响整体结构的力学性能,造成局部刚度薄弱环节,严重危害结构的功能性和安全性。在结构服役期间,准确地评估和诊断结构连接的实际状态,对保证结构安全、避免重大安全事故和降低事故危害性等具有重要的工程应用价值。

复杂结构系统中连接状态的诊断一直是颇具挑战性的科学问题。从微观尺度上看,连接接触界面是粗糙不平的,微凸体在界面上的分布是随机的,因而接触界面上的载荷分布具有不确定性的特征[1]。在外载荷作用下,位于结构系统局部的结合界面在法向可能发生间隙、分离和碰撞,在切向可能发生微观滑移和宏观滑动,这些行为都是非线性的,且还具有多尺度的特点[2]。例如,结合面微观滑移发生在约10-6m的尺度,而宏观滑动则发生在约10-3m的尺度上。由于对接触界面直接观测的困难,目前还主要依赖测量的宏观结构动力学响应信息来间接诊断连接界面的接触状态。然而,由于界面上存在着复杂的多尺度非线性力学行为,会引起系统刚度和阻尼特性的非线性变化,导致整体结构的动力学响应也异常复杂,可能会出现多频响应、超谐和亚谐共振、跳跃和混沌等非线性现象[3]。连接状态参数与系统刚度、阻尼和动力响应特征之间都不是简单直接的关联关系。因此,直接利用结构动力学响应信息来诊断结构非线性连接状态具有极大的科学挑战性。

随着我国国民经济的发展,复杂连接装配结构越来越多地被应用到国防安全、航空航天和土木工程等诸多领域。因连接失效导致的结构功能性丧失,甚至灾难性破坏的案例屡有发生。研究面向工程应用的结构连接状态诊断方法,应用该方法对现役连接结构进行健康评估是当前迫切需要解决的实际问题。近年来,非线性动力学、接触力学及相关信号处理分析、振动测试软硬件技术等的快速发展为深入研究和建立有效的结构连接状态诊断方法提供了有力的支持和契机。在国内尽速应用现代科学理论和技术发展成果,针对性地攻克特定的应用基础性关键问题,研究并建立基于宏观动力学响应信息的结构非线性连接状态诊断方法已成为一项可行而且非常紧迫的任务。因此,本项目的研究既具有重要的科学意义,又具有迫切的工程需要。


[1] Ibrahim R A, Pettit C L. Uncertaintiesand dynamic problems of bolted joints and other fasteners [J]. Journal of soundand Vibration, 2005, 279(3): 857-936.

[2] Segalman D J, Gregory D L, Starr M J, etal. Handbook on dynamics of jointed structures [M]. Sandia NationalLaboratories, Albuquerque, NM, 2009.

[3] 马兴瑞,王本利,苟兴宇等. 航天器动力学—若干问题进展及应用[M]. 北京:科学出版社,2001.






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