基于模态分析的红松方材内部孔洞缺陷检测

论文摘要

当前木材需求量在不断增大,而木材资源却是有限的,因此为了提高木材利用率,木材无损检测逐渐受到人们的重视。另外,从对木制古建筑、古树名木、木制桥梁的保护角度看,同样需要加强木材无损检测的力度和精度。在木材检测领域已经应用了超声波法、应力波法、核磁共振法、X射线法、脉冲电阻法、微波法等几十种检测方法,但这些方法由于各种原因在目前还没有得到大力的推广,因此需要进一步探索新的更适合的木材检测方法。模态分析技术已经被广泛的用于建筑混凝土梁、桥梁、石油井架、海洋平台、航天、轨道等工程领域的损伤检测中,并已被证实能够有效的判断损伤的程度和位置。因此,把模态分析技术引入到木材检测领域成为一个必然趋势。本文首先利用通用有限元软件ANSYS对红松方材试件建立了有限元模型,并对有限元模型进行了模态分析,获取了模型在不含缺陷、含有不同位置和不同程度单一孔洞缺陷、同时含有两个不同孔径孔洞缺陷时的固有频率、模态振型和曲率模态。通过对各个模态参数的数据分析发现,运用模态分析技术对方材模型的缺陷进行定位和定量检测在理论上是可行的、有效的。本文重点是运用试验模态分析技术对红松方材试件在不同状况下进行了模态试验,找到了适合于方材检测的试验方法,获取了标准方材试件和含有孔洞缺陷的试件的频率响应函数及其实频虚频曲线。运用单模态参数识别方法对实频虚频曲线进行分析,获得了标准试件、含有不同位置单一孔洞试件、含有3mm、10mm、18mm、26mm、35mm孔径单一孔洞和两孔洞试件的前四阶固有频率、前三阶位移模态振型和前三阶曲率模态振型。通过对标准试件和含有孔洞缺陷试件的模态参数进行比较得到:(1)含有孔洞的试件固有频率较低,且降低的程度随孔洞孔径变大而变大;固有频率的变化与孔洞的位置没有必然联系,不同位置的孔洞可能引起相同的固有频率变化。(2)位移模态振型与曲率模态振型在含有孔洞缺陷节点处均会产生突变,且曲率模态变化更为明显。(3)位移模态振型变化率和曲率模态变化率与孔洞孔径都有非常显著的相关性,可以通过位移模态振型变化率和曲率模态变化率对方材试件的孔洞大小做出定量检测。本文最后运用SPSS软件对试验数据进行了分析,并建立了针对方材试件内部孔洞缺陷进行检测的判别模型,并且运用判别模型对含有未知孔洞缺陷的试件进行了估计,进而对判别模型进行了验证。验证结果表明,通过判别模型可以对方材的孔洞缺陷进行定性、定位、定量的检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题及相关领域国内外研究现状
• 1.2.1 木材无损检测概述
• 1.2.2 木材无损检测现状
• 1.2.3 国内模态分析技术发展概述
• 1.2.4 模态分析技术在木材检测中的应用
• 1.2.5 模态分析技术在木材检测中发展趋势
• 1.3 论文主要研究内容及研究方案
• 1.3.1 本论文的主要研究内容
• 1.3.2 拟采用的研究方案
• 1.4 本章小结
• 2 基本理论介绍
• 2.1 模态分析基本理论
• 2.1.1 模态分析的定义与应用
• 2.1.2 频响函数测试
• 2.1.3 频域模态参数识别法
• 2.2 有限元法与 ANSYS
• 2.2.1 有限元法概述
• 2.2.2 ANSYS概述
• 2.3 数字信号处理基础
• 2.3.1 离散傅里叶变换
• 2.3.2 信号采样定理和量化
• 2.3.3 泄露与加窗
• 2.4 本章小结
• 3 有限元模型与模态分析
• 3.1 木材试件的有限元模型
• 3.2 有限元模型的模态分析
• 3.3 分析结果与数据处理
• 3.3.1 固有频率
• 3.3.2 单一孔洞模型曲率模态
• 3.3.3 两孔洞模型曲率模态
• 3.4 本章小结
• 4 模态试验与测试结果
• 4.1 检测设备与试件准备
• 4.1.1 模态试验检测设备
• 4.1.2 试件制备
• 4.2 试验准备及试验设计
• 4.2.1 试件支撑方式
• 4.2.2 测点及测量方法的安排
• 4.2.3 试验频段选择和参数设置
• 4.2.4 激振方式选择
• 4.3 测试结果
• 4.3.1 不同敲击点得到的频响函数
• 4.3.2 不同敲击点得到的实频虚频图像
• 4.3.3 相干函数
• 4.4 本章小结
• 5 表征试件缺陷的模态参数识别
• 5.1 固有频率识别
• 5.1.1 标准无孔洞试件的固有频率
• 5.1.2 含孔洞试件的固有频率
• 5.2 模态振型识别
• 5.2.1 标准无孔洞试件的模态振型
• 5.2.2 含孔洞试件的模态振型
• 5.3 曲率模态识别
• 5.3.1 标准无孔洞试件的曲率模态
• 5.3.2 含孔洞试件的曲率模态
• 5.4 本章小结
• 6 通过模态参数变化对方材孔洞缺陷进行识别
• 6.1 通过固有频率变化识别方材缺陷
• 6.1.1 不同位置单一孔洞试件与标准试件的固有频率进行比较
• 6.1.2 不同孔径单一孔洞试件与标准试件的固有频率进行比较
• 6.1.3 含两个不同孔径孔洞试件与标准试件的固有频率进行比较
• 6.2 通过模态振型变化识别方材缺陷
• 6.2.1 不同位置单一孔洞试件与标准试件的模态振型进行比较
• 6.2.2 不同孔径单一孔洞试件与标准试件的模态振型进行比较
• 6.2.3 含两个不同孔径孔洞试件与标准试件的模态振型进行比较
• 6.3 通过曲率模态变化识别方材缺陷
• 6.3.1 不同位置单一孔洞试件与标准试件的曲率模态进行比较
• 6.3.2 不同孔径单一孔洞试件与标准试件的曲率模态进行比较
• 6.3.3 含两个不同孔径孔洞试件与标准试件的曲率模态进行比较
• 6.4 方材孔洞缺陷判别模型的建立
• 6.4.1 方材孔洞缺陷定性检测
• 6.4.2 方材孔洞缺陷定位检测
• 6.4.3 方材孔洞缺陷定量检测
• 6.5 方材孔洞缺陷判别模型的验证
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢