含裂纹微梁结构振动特性分析开题报告

1. 研究目的与意义

在研究仿生技术，如昆虫翅膀，或是研究机电系统元器件时，接触到的结构尺寸都较小，这些微梁结构在实用过程中也会因为材料老化、环境加载、疲劳、过载等因素产生损坏。因此，对结构进行健康监测及对其收到的损伤进行评价是非常必要的。由于各种原因导致梁不可避免地存在各种损伤，大部分以裂纹形式存在。微梁中裂纹的存在是结构安全性的一大隐患。初始的裂纹可能是制造缺陷或长期使用过程中由于过载或材料疲劳而产生的。早期裂纹的故障诊断是结构动力学研究的重要内容之一，受到了工程人员的重视，并对其进行了研究讨论。

目前，对结构裂纹的无损检测主要有声发射法、振动诊断法、射线诊断法、超声波诊断法、涡流诊断法、光学诊断法、漏磁诊断法和红外诊断法等。其中基于结构动力学的振动诊断法信号非常容易提取，探测器可安装在人们不易接近的结构部位。并且，由于结构的振动响应易于获取，因此频率、唯一模态、曲率模态等振动特性常常被用来识别结构的损伤。

根据当今的研究分析，当梁存在裂纹时，梁结构的完整性受到破坏，导致梁的固有频率和结构阻尼随之发生变化。此外，梁上的裂纹还导致裂纹两侧梁的物理场不连续，使振动波在梁内传播受到一定影响，并且在梁靠近裂纹顶端的部位容易出现应力集中现象。因此带裂纹微梁在振动的特性会随之改变。另外，裂纹所处位置和深度是反映梁上不同裂纹缺陷状态的重要指标，通过研究不同位置和深度的裂纹的梁的振动特性，可以反映不同状态裂纹对微悬臂梁振动特点的影响。结构中裂纹位置可通过分析裂纹梁和无裂纹梁之间的振动频率变化来确定。以此寻找规律，利用对受损微悬臂梁的振动特性进行测定来对裂纹进行实时监测，研究带裂纹微梁的振动特性，并据此确定裂纹发生的位置，对保证结构的安全使用具有重要意义。

2. 研究内容和预期目标

建立带裂纹微梁模型，使用ANSYS等有限元分析软件，针对裂纹位置和深度对固有频率及模态振型的影响进行模拟。并设置实验对实物进行振动实验，对比实验数据与模拟数据，找到不同形态裂纹的梁的固有频率与模态振型的变化规律。

软件模拟数据与实验实测数据相对应，并研究出通过对微型悬臂梁固有频率及模态振型的测量来推断裂纹产生位置的方法。

3. 研究的方法与步骤

（1）本课题拟采用的研究方法

对结构的损伤测试主要采用利用随机激励下结构振动响应的结构损伤检测技术，主要是基于模态参数识别与基于结构振动响应信号处理的检测方法。

首先对受损实验梁进行建模。在对裂纹的模拟上有多种方法。可以用具有等效刚度的扭簧来代替穿透裂纹，也可以将结构表面的裂纹简化为凹槽。这些可以在选定具体实验样本之后，根据实际情况酌情考虑。同样根据所选梁的材料和形式不同，选择通过实验或查阅资料的方式确定梁的弹性模量等基本力学性能，供有限元分析计算时使用。

4. 参考文献

[1] 陈凌威，宋竞，唐洁影，冲击下悬臂梁断裂可靠性的节点分析法[n].传感技术学报，2013（3）：367-372.

[2] 陈真勇，何永勇，褚福磊，黄靖远，带缺陷的微型机械结构动力学特性分析[n].机械工程学报，2004（6）：23-27.

[3] 李毅谦， 向志海，岑章志，关于悬臂梁振动特性的损伤灵敏度的研究[j].工程力学，2009（12）：17-23.

5. 计划与进度安排

[1] 03月2日～03月13日 查阅相关资料；提交开题报告；

[2] 03月16日～03月27日 学习软件；提交外文翻译初稿；

[3] 03月30日～04月17日 建模与计算分析，实验测量；