裂纹损伤对塔壳结构动态特性的影响研究 - 应用力学学报.PDFVIP

第 28 卷 第 3 期 应 用 力 学 学 报 Vol.28 No.3 2011 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Jun. 2011 文章编号：1000-4939(2011) 03-0299-05 裂纹损伤对塔壳结构动态特性的影响研究 陈玲莉 彭海强 陈振茂 (西安交通大学 710049 西安) 摘要：基于数值方法研究裂纹损伤对塔式壳体结构动态特性的影响。建立了等截面直立塔壳结构 有限元模型，采用刚度下降法模拟不同程度受损单元，计算了无损和不同损伤工况下 (耳式支座 与塔体角焊缝处环向裂纹损伤)，结构的固有振动特性和脉动风载荷作用下结构的动态响应。结果 表明：结构振动信号可以反映塔壳结构局部不同程度损伤的影响，裂纹损伤对固有频率影响较小， 最大 20% 损伤对固有频率的减小约为 7%~8%；对模态振型影响较大，尤其在高阶（如 15 阶频 率）上可能出现新的振型；对位移响应、动应力影响最为明显。 关键词：塔式结构；裂纹损伤；脉动风载；振动特征 中图分类号: O327 文献标识码：A 1 引 言 2 无损和受损塔式壳体结构固有 振动特性分析 直立塔式结构是一类重要的工程设备。结构除 制造、安装不可避免的损伤外，在服役过程中，内 直立等截面圆形薄壁塔式结构如图1所示。通 部介质的压力、腐蚀、温度以及外部自然环境载荷 过环型耳式支座将其固定在水泥平台上，塔体下端 (如风载荷、地震载荷等) 的长期作用，造成结构不 简化为固定端约束。模型的几何尺寸 同部位、不同程度的损伤（如部件连接处的焊接裂 为：内径2m 、壁厚12mm、高20m ； 纹、内壁应力腐蚀裂纹等）。研究直立塔式结构各 支承点距塔底高度1m。塔体材料为 种损伤检测方法，对结构合理设计和安全服役中的 在线监测，具有重要的意义。常用的检测方法主要 16MnR，弹性模量206GPa ，泊松比 是涡流、超声波等探伤方法，近年来基于结构振动 0.3，密度7.8g⋅cm-3 。 信号的损伤检测方法成为研究热点[8-10]，但是对于 假定损伤类型为贯通裂纹，利用 塔式结构多数文献仅对结构进行动态分析 [3-7] ，基 Ansys 软件使用壳单元分别建立了 于结构振动信号的裂纹损伤检测方法研究较少。 塔体结构无损和根部周向不同程度 本文基于数值方法研究裂纹损伤对塔式壳体 损伤的有限元模型。受损结构仅在对 结构动态特性的影响，建立了一种典型直立无损和 应单元位置重新赋值单元弹性模量， 这种“ 刚度下降法”是模拟损伤程度常 受损塔壳结构的有限元模型；采用刚度下降法模拟 用方法之一。4种损伤工况指弹性模量 图1 塔体结构有 受损单元，计算了无损和不同损伤 (耳式支座与塔 限元模型 E 分别下降 0.05 、0.1、0.15、0.2 。 体角焊缝处环向裂纹损伤) 工况下的固有振动特性 无损和受损结构各阶固有频率如表1所示，固有频 和脉动风载荷作用下结构的动态响应。