基于频率识别纤维增强复合材料加筋板的分层损伤

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1、广州大学硕士学位论文基于频率识别纤维增强复合材料加筋板的分层损伤专业：建筑与土木工程硕士生：詹超指导教师：叶茂、张芝芳摘要纤维增强复合材料FRP由于具有较高的比强度、比模量、可设计性、优越的抗疲劳性能、耐腐蚀性等，现已广泛应用于航空航天、建筑土木、海洋工程、能源交通等工程领域。FRP材料的主要应用形式之一是加筋板/壳结构，即在主体结构（层合板或壳）中通过一定的方式连接加强筋（层合材料），这样可极大地提高结构的承载能力，因而FRP加筋板结构也成为实际应用中最基本的结构形式之一。而该类结构在服役过程中很容易因砂石、冰雹、子弹或者维修工具掉落等中低速冲击而产生底板和加强筋之间的脱粘以及底板内部的

2、分层，这些分层/脱层损伤将极大地弱化复合材料加筋板的承载能力，最终可导致结构在低于设计载荷水平下失效，造成严重的安全事故和重大的生命财产损失。因此，对在建筑土木、航空航天等重要工程领域有着广泛应用的FRP加筋板结构进行分层损伤的早期诊断和识别显得尤为重要。本论文以FRP复合材料加筋板为研究对象，通过对比分层损伤发生前后FRP加筋板的振动频率变化，来识别FRP加筋板中的分层损伤。构建了人工神经网络和优化算法两种逆向检测算法以利用FRP加筋板在损伤前后发生的一系列频率变化值来逆推出FRP加筋板中的分层位置和大小。分别采用数值验证和实验验证来双重检验两种算法识别分层损伤的精度和效率：（1）首先构

3、建了加筋板的有限元模型，包含两种不同位置的分层损伤（加筋条与底板之间的分层和加筋板底板内的分层），并使用有限元模型产生的数值案例来检验两种逆向算法（数值验证）；（2）设计制作了无损伤和含分层损伤的加筋板试件并进行模态测试获得了加筋板试件的实测频率值，再将实测数据用于两种逆向检测算法以预测FRP加筋板试件中的分层损伤（实验验证）。此外，还通过添加不同样本数量和不同干扰等级的噪声到仿真频率中以模拟实验误差，考察了两种逆向检测算法I基于频率识别纤维增强复合材料加筋板的分层损伤的鲁棒性。数值验证结果表明：两种逆向检测算法都可以有效地识别出FRP加筋板中两种不同位置的分层损伤。相比于直接使用遗传算法

4、，采用代理模型替代优化过程中的有限元模型，减少了优化过程中迭代计算的时间，大大提高了损伤识别的效率。实验验证结果表明：有代理模型的遗传算法预测出的分层损伤与实际的损伤存在重合，说明该方法可以较为准确地预测出FRP试件中的分层损伤信息，此外，相比分层损伤的位置，对分层大小的预测更为准确；而人工神经网络对于实验误差非常敏感，在使用实测频率数据进行损伤预测的过程中表现不理想，无法得到有效的损伤信息。进一步的噪声敏感性分析结果表明：对仿真频率添加噪声干扰后，采用有代理模型的遗传算法依旧可以预测较为准确地预测分层损伤信息，反映该算法对噪声不敏感，较为稳定；而人工神经网络的预测结果则不准确，表明其对噪

5、声很敏感，算法的鲁棒性不足。综上，本文得出的结论是，基于频率变化的方法可以用于识别FRP加筋板中的分层损伤，应采用有代理模型的遗传算法以达到最优的识别效率和精度。关键词：复合材料；加筋板，振动频率；损伤识别；逆向检测算法II广州大学硕士学位论文Frequency-basedDelaminationDetectioninStiffenedFiberReinforcedPolymerPlatesMajor:ArchitecturalandCivilEngineeringName:ZhanChaoSupervisor:YeMao、ZhangZhifangAbstractFRPcompositem

6、aterialswhichhaveadvantagessuchashighstrength/stiffnessratio,easeofshaping,excellentfatigueresistance,goodcorrosionresistance,etc.,havebeenwidelyusedinaerospace,civil,energy,transportation,andmarineengineering.OneofthemainapplicationformsofFRPisstiffenedplateorshellstructures,inwhichthestiffenersa

7、readdedtothemainstructures(laminatedplatesorshells)throughcertainwaytogreatlyimprovethebearingcapacityoftheFRPstructure.StiffenedFRPplateshavebecomeabasicaswellascommontypeofFRPstructuresappliedonmodernaircraftan