原文传递
基于逆有限元方法的板梁结构变形重构的研究
| 论文题名： | 基于逆有限元方法的板梁结构变形重构的研究 |
| 关键词： | 船舶结构;健康监测;变形重构;逆有限元方法 |
| 摘要： | 结构健康监测(Structure Health Monitoring，简称SHM)在土木，航空航天和海洋工程领域是一门非常重要的学科，船舶结构健康监测系统的使用能够减少船舶的维护成本和检修成本，同时提高船员和环境安全。使用应变传感器和应变信息实时重建结构的三维位移和应力场是结构健康监测系统的关键组成部分，基于应变的逆有限元方法(inverse Finite Element Method，简称iFEM)是一种革命性的变形重构方法，该方法不需要结构的材料属性和受载情况，就可以实时重构结构变形，为实时的船舶结构健康监测提供了一种解决方法。 首先，基于Timosheko梁理论推导出理论截面应变，建立理论截面应变与实际截面应变的最小二乘函数，进而推导出应变与位移之间的关系。通过悬臂梁和两端固支梁的仿真试验对逆有限元算法准确性进行了验证，结果表明重构位移与有限元分析得到的位移吻合较好，证明了梁结构的逆有限元算法的准确性。在此基础上，讨论了逆有限元方法对复杂框架结构变形重构的适用性，并通过横向和竖向框架结构的仿真试验，验证了逆有限元方法在重构复杂框架结构的准确性。 然后，基于Mindlin-Ressiner中厚板理论推导出中面应变的理论公式，并将应变分为薄膜应变、弯曲应变和横向剪切应变，分别乘以对应权重进行耦合。通过最小化理论应变和实际应变的泛函，推导出应变与位移之间的关系，进而建立四节点板逆有限元数学模型。通过悬臂板的仿真试验验证了板结构的逆有限元方法的准确性。 最后，通过设计和搭建悬臂梁实验平台，进行集中加载实验，对比分析了不同测点方案的重构精度，并对实验误差来源及其影响进行了分析，结果表明，轴向角位置偏差是实验误差的主要来源，实验中可以通过提高信噪比来提高重构结果的准确性。通过设计和搭建四边固支平板实验平台，进行均布加载实验，利用应变测量系统采集的表面应变信息重构出结构变形，并与位移测量系统得到的位移信息进行对比，验证了在实际应用中板结构的逆有限元方法的准确性。 |
| 作者： | 黄辉 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 张涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
