基于应变模态法的层合梁的损伤检测研究摘要：结构在建造和服役期间将不可避免出现损伤，发展合适的无损检测方法对其进行检测具有广泛的工程应用价值.基于多自由度振动力学和连续体损伤理论，发展了应变模态法损伤检测理论.通过预置损伤复合材料层合梁的动态加载试验，测得各个测点的应变时程响应，然后利用MATLAB编程对数据进行处理，从而得到结构的损伤应变模态曲线.数据处理结果精确反映了预置结构损伤的位置，由此证明了应变模态法能够应用于复合材料层合梁的损伤定位.最后基于有限元软件ABAQUS，利用连续体损伤理论对损伤纤维金属层合梁的模态进行分析，更进一步验证了当前应变模态法对损伤层合的损伤定位的可靠性.关键词：应变模态；无损检测；纤维金属层合梁；损伤：TB333文献标识码：A结构在建造过程与服役期间将不可避免的出现损伤.在初始阶段，损伤表现为微小裂纹，一般难以发现，随着微小裂纹的演化，损伤将表现为可见的裂缝、脱层等，这将轻则影响结构的力学性能，重则导致结构完全失效而引发重大事故发生，造成人员伤亡和经济损伤.因而，检测结构损伤的大小及位置，评估结构的整体性能，从而对结构及时进行有效的维护，具有重要的工程实际意义.随着振动理论、计算机技术及信号处理技术的发展，结构损伤检测技术的有效性与应用领域不断增长.根据检测目标不同，可以将损伤检测分为两类，一是局部检测，比如：X射线技术、超声波技术、无线电成像技术等；二是整体检测，比如：频率法、结构矩阵修改法、神经网络法、应变模态法等.根据应变具有对损伤敏感的特点，通过比较损伤结构和完好结构的应变模态变化来判断结构损伤大小和位置，即为应变模态法.相较于传统的检测手段，应变模态法对损伤检测非常有效，且可以检测结构内部损伤以及工作人员无法到达位置的损伤，从而成为工程应用及科学研究的热点.通过对混凝土矩形简支梁进行位移与应变模态实验，顾培英和丁伟农[1]发现应变模态相较于位移模态对损伤灵敏度更高，且应变模态对非节点损伤非常敏感；徐丽[2]对框架结构进行应变模态实验研究，分析了一阶和二阶应变振型对识别损伤存在、位置的灵敏度；通过仿真计算，邓焱和严普强[3]发现应变模态明显地反映损伤存在、大小及位置，同时低阶模态振型由于其较易获得，从而在实桥检测中受到更多关注.周先雁等[4]应用应变模态法对钢筋混凝土结构损伤识别进行了初步尝试，根据损伤状态下的动应变相对于完好状态下的变化量进行损伤定位.王文静等[5]通过对悬臂梁结构进行位移模态分析、应变模态实验分析及有限元计算，验证了三者识别的模态参数基本一致，而且应变模态分析方法可以确定结构应变最大点和共振疲劳危险点.基于应变模态变化率，赵才友等[6]对钢轨的损伤位置及损伤程度进行研究.包振明等[7]采用光滑应变模态差分曲线诊断梁结构的非贯穿损伤.更多的研究[8-12]利用应变模态，对不同材料和结构进行了无损检测，但目前应变模态法主要应用于均质材料的损伤定位分析，鲜有文献报道应变模态法用于非均质材料，如复合材料的损伤检测分析.本文首先对应变模态法的理论进行了介绍，理论上证明了采用应变模态法对损伤进行检测的合理性.然后，通过对预置损伤复合材料层合梁进行动态加载，利用MATLAB编程处理试验数据，从而得到结构的损伤模态曲线.试验结果精确反映了预置结构损伤的位置，从而证明了应变模态法对复合材料层合结构损伤检测的准确性.最后，基于损伤理论，利用有限元软件ABAQUS对损伤纤维金属层合梁的模态进行分析，进一步证明了采用应变模态法对复合材料层合结构损伤检测的可靠性.1理论模型1.1损伤理论Murakami[13]建立了基于连续介质损伤理论的三维正交各向异性疲劳损伤的本构方程，以及用损伤应变能释放率表示的损伤演化方程，有效应力与Cauchy应力σ的关系为1.2应变模态法介绍由振动力学理论可知，连续体梁式结构的位移响应u为：应变传递函数矩阵（13）中的任一列代表结构应变振型，为获取该应变振型，只要在结构的任一个固定点以r阶固有频率激振，测量激振力和结构对应点处的应变响应，然后将应变除以激振力，进行归一化处理后，获得r阶的应变振型.传递函数矩阵（13）的...