基于模态分析木塑复合板材振动特性的研究和缺陷识别

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1、摘要木塑复合材具有环保、经济、低碳、可再利用等优点，它已逐渐发展成为一种新型的、重要的工业材料。其应用领域由过去比较简单的低附加值产品向相对复杂的高附加值产品如房屋、建筑、管材、地板等方向发展。开展木塑复合板材的振动特性及无损检测研究将能够为基于木塑复合材的结构抗震及抗冲击设计、内部损伤检测、动态性能评估等提供依据。本论文以高密度聚乙烯(Highdensitypolyethylene，HDPE)基木塑复合板材为研究对象，从理论分析、试验测试、有限元模拟等多个角度较系统地研究了木塑复合板材的固有频率、位移和曲率模态振型、动弹性模量等振动特性的变化规律，并结合BP神

2、经网络对其缺陷实现了定性和定量辨识。本研究系统阐述了木塑复合板材振动特性的模态分析理论；在此基础上，对完好和含有缺陷的I-IDPE基木塑复合板材样本进行了振动模态试验，基于测试到的频域信号，识别并对比了频率响应函数、固有频率、位移和曲率模态振型、动弹性模量的变化；运用ANSYS建立了木塑复合板材有限元模型，在完好和含缺陷状态下对其进行了模态分析，对有限元模拟结果与试验模态分析结果进行了对比及相互验证；结合BP神经网络，分别以固有频率、位移和曲率模态振型为识别指标，构建了定性、定位和定量缺陷辨识网络，验证了网络辨识能力，讨论了各指标对缺陷的敏感度。最后，在常温和冻

3、结状态下，对样本进行了振动试验，对比分析了常温和冻结状态下木塑复合板材的固有频率和动弹性模量变化。研究结果表明：(1)固有频率和振型是木塑复合板材两个重要的振动特性参数。缺陷对木塑复合板材的固有频率有显著影响。与完好时相比，含缺陷木塑复合板材的各阶固有频率均会降低。位移模态振型对内部的小缺陷、小损伤不十分敏感，而曲率模态振型是一个对结构缺陷位置及大小比较敏感的参数。(2)采用纵波法、纵向共振以及弯曲共振等3种方法所测得的完好木塑复合板材试样的动弹性模量均高于其静弹性模量值，动弹性模量与静弹性模量的比值分别为3．02，2．94和2．83。缺陷对木塑复合板试样动弹性

4、模量影响显著。含缺陷试样的动弹性模量要明显低于完好试样，中间位置缺陷对动弹性模量的影响更显著一些。(3)用固有频率、位移模态振型及曲率模态振型作为识别指标，构建的缺陷识别神经网络，能够有效地对木塑复合板材是否含有缺陷、以及缺陷位置和大小进行辨识。(4)与常温相比，冻结状态木塑复合板材的固有频率和动弹性模量均更高。关键词木塑复合板材；模态分析；有限元；振动特性；无损检测东北林业大学博上学位论文AbstractThuswoodplasticcompositem巾C)isanenvironmental，economical，lowcarbonandrecyclemat

5、erial，ithasbecomeanewandimportantindustrialmaterial，whichhas谢delyusedtoprocesstheproductswithlowadditionalvaluesinthepastbutnowmanufacturetheproductswithhighadditionalvalues．suchasbuilding,house,pipeandfloor．11leresearchonthevibrationpropertiesandnondestructiveevaluationofW'PCcanprov

6、idethescientificalbasisforthedynamicpropertyassessmentandinspectionofstructurebasedontheWPC．TheHDPEbasedWPCwasemployedtoastheresearchobjectsinthisstuay,andthevibrationpropertiesofWPCspecimenssuchasintrinsicfrequencies，dynamicmodulusofelasticity(MOE)，displacementandcurvaturemodeshapew

7、erestudiedsystematically,usingtheanalysisoftheoretical,experimentalandfmiteelementsimulationrespectively．Then，BPneuralnetworkswasadoptedtoqualitativelyandquantitativelyidentifytheinnerholedefectinWPCspecimens．ThemodalanalysistheoryforstudyingthevibrationproperitiesofWPCwasdescribedfi

8、rstlyinthisp