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传感器与微系统（TransducerandMierosystemTechnologies）
2017年第36卷第7期
DOI:10.13873/J. 1000-9787 (2017)07006203
悬臂梁结构损伤检测仿真研究
王龙，路平，段静波
（军械工程学院无人机工程系，河北石家庄050003）
要：以悬臂梁结构为研究对象，针对户外条件下结构损伤检测过程复杂、周期长、检测效果不理想的摘
间题，提出了模态曲率变化率法。通过大型商用有限元软件ABAQUS，建立梁结构有限元模型，基于模态曲率变化率法构建损伤指标，对梁结构进行损伤检测定位，并与模态应变能法的损伤检测效果进行了对
比。结果表明：模态曲率变化率法计算过程简单，能够准确快捷地对悬臂梁结构进行损伤识别定位。关键调：悬臂梁结构；有限元仿真；损伤检测；模态曲率变化率法
中图分类号：TB123
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)07-0062-03
Simulationresearchondamagedetectionof cantilever
beam structure*
WANG Long, LU Ping, DUAN Jing-bo
(Department of UAV Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003, China)
Abstract: Taking a cantilever structure for example,aiming at damage detection process is complex,long cycle and detection effect is not ideal under the outdoor conditions,the modal curvature change rate method is proposed. The finite element model is constructed by simulation software ABAQUS, beam structure damage detection and location based on modal curvature change rate method, and the detection effect of contrast mode strain energy method is compared. The results show that the modal curvature change rate method is simple in ealeulation and can identify the damage location of the cantilever structure accurately.
Key words: cantilever structure; finite element simulation; damage detection; modal curvature change rate method
引言
随着航空技术的发展，无人机获得了快速发展，然而，中小型无人机在服役过程中伴随着劳、腐蚀、阵风载荷等情况，机体结构会受到不同类型的损伤，尤其是机翼受损的几率更大，随着使用周期的增加，细微损伤会带来极大的安全隐惠。由于结构日益复杂化、封闭化、现代化，无人机机翼一般都是封闭式结构，梁作为主承力部件无法拆解，对无人机的安全寿命起着至关重要的作用")。因此，对机翼中悬臂渠结构开展损伤快速检测研究有重大意义。
研究学者在由结构的频率响应对结构的损伤进行检测方面做了大量的工作23。但是，由于结构中的缺陷或损伤对结构频率的影响较小，在进行实际损伤检测时效果不佳。随着计算机仿真技术和精密仪器的迅速发展，1984年 West提出利用结构的模态的变化进行结构损伤检测的方法，特别是，1995年StubbsNl")提出了基于模态振型的应变能变化来检测结构中的损伤。由于其物理意义明确、检
收稿日期：2016-07-25
测效果较理想，受到了广泛关注。但是使用该方法存在检测周期长、过程复杂的问题，无法在户外作业时进行快速损伤检测。因此，本文提出了基于模态曲率法实现对机翼梁结构的损伤快速检测。模态曲率变化法操作简单，检测周期短，能够满足户外快速损伤检测要求。通过有限元仿真计算得知，基于模态曲率变化率法构建的损伤指标能够较准确地对损伤位置进行检测定位。
曲率变化率法
针对梁结构，中间层的曲率定义为
Φ=M/(EI)
式中Φ为曲率；M为弯矩；EI为渠的弯曲刚度。
(1)
从式(1)可以看到，曲率的变化与刚度成反比。实际工程应用中，结构受损后，受损区域的刚度会发生大幅度下降。在有限元软件中通过刚度下降的方法来模拟结构损伤，可以通过曲率的变化来间接地反映刚度的变化，进一步反映结构损伤。
+基金项目：装备预先研究项目（51325010602）；中国人民解放军装备维修科学研究与改革项目（WG2015ZT120003）