裂纹管的振动特性研究.pdf

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1、第27卷第2期2012年04月中国海洋平台CHINA0FFSHoREPLATFORMVol-Z7No．2Apr．，2012文章编号：1001—4500(2012)02—0020-05裂纹管的振动特性研究刘朵1，朱彤2，周晶2，赵习刚3(1．江苏省交通科学研究院，江苏210017；2．大连理工大学，大连116024；3．南京市政设计研究院有限责任公司，江苏210008)摘要：采用奇异单元模拟裂纹尖端的奇异性．无摩擦接触单元模拟裂纹的张开闭合效应，建立含有方向裂纹的裂纹管有限元模型。基于此模型研究裂纹方向对裂纹管固有频率的影响，针对悬臂裂纹管和简支裂纹管，分析简谐荷栽作用下的非线性动力特性

2、，重点讨论裂纹方向对系统超谐共振的影响，并量化裂纹方向角变化所if起的谐波分量的差异。关键词：奇异单元；接触单元；裂纹方向；固有频率；超谐共振中图分类号：TU311．41文献标识码：AStudyOllVibrationCharacteristicsofaPipewithaCrackLIUDuo，ZHUTong，ZHOUJing，ZHAOXi—gang(1．JiangsuTransportationResearchInstituteCo．，I，td，Jiangsu210017，China；2．DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China；

3、3．NanjingMunicipalDesignandResearchInstituteCo．，Ltd，Nanjing210008，China)Abstract：Afiniteelementmodelofapipewithanorientedcrackisestablishedwithaquarter—-pointelementwhichisusedtosimulatethecracktipsingularityandafrictionlesscon。_tactelementtOsimulatecrackopening—closingeffects．Basedontheproposed

4、model，theeffectsofcrackdirectiononthenaturalfrequencyofthecrackpipearediscussed．Moreover。forthecantilevercrackpipe，thenonlineardynamicbehaviorundertheharmonicloadsisana—lyzed，andthesuper—harmonicresonanceofthesystemaffectedbythecrackdirectionisre—searchedindetail．Thedifferenceofharmonicresponsec

5、omponentcausedbythecrackangleisquantifiedalso．Keywords：quarter-pointelement；contactelement；crackdirection；naturalfrequency；super-harmonicresonance0引言随着服役年限的增加，工程结构在复杂的环境中将会出现各种各样的损伤。损伤的存在和扩展将会造成结构抗力衰减，如果不采取必要的处理措施，必将产生灾变。疲劳裂纹是结构损伤的重要表现形式之一，因此开展裂纹诊断的研究工作具有非常重要的意义。为此，必须首先建立合适的裂纹分析模型，这是研究裂收稿El期：201

6、1-02—17基金项目：江苏省自然基金项目资助(BK2009028)；交通行业联合科技攻关项目(2009—353—33Z一300)。作者简介：刘朵(1984一)，女，硕士。第2期刘朵，等裂纹管的振动特性研究纹结构力学行为的基础，也是进行裂纹识别研究的重要前提。目前，研究裂纹结构的裂纹模型主要有两种：“弹簧铰”模型和有限元模型[1]。“弹簧铰”模型作为一种解析方法，是以弹簧铰模拟裂纹局部弱化效应。这种方法能够比较精确地求出裂纹结构的固有频率，但是特征方程的求解较为繁琐；有限元方法不仅方便求解模型的特征方程和动力响应，而且有利于变换结构的边界条件，因此被广泛地应用于各种裂纹结构的振动分析研

7、究中。本文采用20节点奇异单元模拟裂纹尖端的奇异性，无摩擦接触单元模拟裂纹的张开闭合效应，建立了含有方向裂纹的裂纹管有限元模型，并针对裂纹方向对裂纹管振动特性的影响作了详细探讨。1裂纹管的固有振动分析在进行裂纹管结构的振动分析时，一般针对二维平面问题，假设裂纹不引起结构质量矩阵的变化，而只对结构的刚度产生影响，裂纹单元刚度矩阵和无裂纹单元刚度矩阵可组成总刚度阵K。对于质量矩阵为M，阻尼矩阵为Q的裂纹管动力有限元方程可表达为M{Y)+Q(y}+K