基于疲勞斷裂的結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究.pdf

1、對飛機、艦船、橋梁等大型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)來說，安全性是非常重要的指標。在設(shè)計階段，通過設(shè)定各種載荷工況對結(jié)構(gòu)進行疲勞和斷裂分析，確定其服役壽命并保證其服役期間的安全性。事實上，由于結(jié)構(gòu)服役期間的載荷不可能事先完全預(yù)測，設(shè)計階段采用的標準載荷工況必然與結(jié)構(gòu)服役期間的實際載荷狀況存在差異，這就導(dǎo)致設(shè)計壽命與實際使用壽命存在差異，造成了無法消除的安全隱患，所以僅通過設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)進行強度與壽命評估，無法完全保證結(jié)構(gòu)服役期間的安全，還必須對結(jié)構(gòu)的工作

2、狀態(tài)進行監(jiān)測。服役期間通過實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的實際載荷，并結(jié)合疲勞、斷裂理論分析結(jié)構(gòu)損傷演變、預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余壽命，并在損傷或剩余壽命達到警戒值時進行預(yù)警，是保障結(jié)構(gòu)安全的一種途徑。本文以三維疲勞斷裂理論為基礎(chǔ)，結(jié)合測試技術(shù)、信號處理技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)。
　　 本文的主要貢獻如下：
　　 (1)發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)。針對在損傷容限耐久性設(shè)計階段采用的標準載荷工況和結(jié)構(gòu)服役期間的實際載荷譜

3、狀況存在差異從而導(dǎo)致的安全問題，本文發(fā)明了一種基于疲勞斷裂理論的結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)服役期間所承受的“實際載荷”，并基于該“實際載荷”結(jié)合疲勞斷裂理論對結(jié)構(gòu)損傷的演化進行在線預(yù)測，當預(yù)測值達到警戒值時系統(tǒng)預(yù)警，從根本上消除了在設(shè)計階段留下的安全隱患，可以進一步提高飛機等重要系統(tǒng)的安全性。
　　 (2)研制了一種基于硬件協(xié)議棧的數(shù)據(jù)采集、處理模塊。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊是采用軟件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，協(xié)議處理需要占用大

4、量的處理器資源，而在線監(jiān)測系統(tǒng)算法復(fù)雜、對實時性要求高，針對這個問題，本文將基于硬件協(xié)議棧的以太網(wǎng)通訊技術(shù)成功應(yīng)用到結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了在線監(jiān)測系統(tǒng)的通訊與實時性之間的矛盾，且比傳統(tǒng)方法穩(wěn)定性更高，還節(jié)省了監(jiān)測系統(tǒng)中寶貴的存儲器資源。模塊具有以太網(wǎng)接口，可以非常容易地組成網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大規(guī)模監(jiān)測。
　　 (3)發(fā)明了一種應(yīng)變電橋在線監(jiān)測單元。在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于“實際載荷”對結(jié)構(gòu)損傷進行在線預(yù)測的，如果應(yīng)變電橋本身

5、發(fā)生損壞而不能及時發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致一系列錯誤的預(yù)測結(jié)果，甚至可能造成嚴重事故。針對這個問題，本文研制了一種應(yīng)變電橋在線監(jiān)測單元，可以直接接入監(jiān)測系統(tǒng)而對監(jiān)測結(jié)果沒有任何影響，在線監(jiān)測應(yīng)變電橋的工作狀況，當某一應(yīng)變片發(fā)生損壞時，該單元可以及時、準確地發(fā)出預(yù)警并指出哪一個應(yīng)變片發(fā)生了損壞，從而保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性，當監(jiān)測規(guī)模較大時，也可大大減小人工檢查應(yīng)變電橋的工作量。
　　 (4)提出了一種基于三維約束因子的超載遲滯模型。結(jié)構(gòu)安全在線

6、監(jiān)測系統(tǒng)在線預(yù)測精度與采用的疲勞裂紋擴展模型有很大關(guān)系，所以本文對疲勞裂紋擴展進行了研究，提出了一種適合用于結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的超載遲滯模型。在常幅疲勞裂紋擴展速率已知的前提下，本文模型只需根據(jù)某一超載比下的遲滯試驗來確定材料的超載遲滯參數(shù)，其他超載比的遲滯效應(yīng)即可基于該參數(shù)進行預(yù)測。把該模型用于2024-T3、2024-T351、6061-T6等鋁合金試件在單超載和多超載作用下疲勞裂紋擴展壽命的預(yù)測，預(yù)測值和試驗值的相對誤差小于20