Идентификация пространственно неопределенной жесткости консольной балки

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1169 (2023) Цитировать эту статью

599 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Это исследование идентифицирует неоднородную жесткость неразрушающим способом на основе смоделированных зашумленных измерений реакции конструкции. Метод конечных элементов служит дискретизацией для соответствующих примеров консольных балок: статическая нагрузка и модальный анализ. Разложения Карунена – Лоэва представляют собой случайные поля жесткости. Мы решаем обратные задачи, используя байесовский вывод для коэффициентов Карунена-Лоэва, тем самым представляя новый метод резонансных частот. Гибкие описания как неопределенности жесткости конструкции, так и характеристик шума измерения позволяют легко адаптироваться к измерительным установкам и ряду неоднородных материалов. Оценка эффективности инверсии для различных ковариационных функций жесткости показывает, что процедура статического анализа превосходит процедуру модального анализа в среднем смысле. Однако качество решения зависит от положения внутри балки для подхода статического анализа, в то время как высота доверительного интервала остается постоянной вдоль балки для модального анализа. Исследование влияния отношения сигнал/шум показывает, что процедура статического нагружения дает меньшие ошибки, чем динамическая процедура для выбранной конфигурации с идеальными граничными условиями.

Параметры материала можно идентифицировать различными способами. Установленные методы можно разделить на разрушительные и неразрушающие1. «Разрушающий» означает, что измерительный образец претерпел, например, пластическую деформацию во время испытаний на растяжение и, таким образом, не соответствует требованиям к изделию после испытания, т. е. он больше не может выполнять первоначальное назначение. Часто эти испытания проводятся до тех пор, пока образец не выйдет из строя. Методы неразрушающего контроля позволяют определить параметры материала, сохраняя при этом образцы. Поэтому эти методы популярны в целях контроля качества после производственного процесса, чтобы обеспечить соблюдение определенных требований.

С одной стороны, динамические методы популярны для испытаний конструкционных материалов. Измерения ударного эха или передачи с использованием упругих волн представляют собой популярные методы высокочастотного режима, позволяющие оценить начало волны2. Однако рассмотрение отдельных режимов направленных ультразвуковых волн содержит больше информации3,4,5. В целом подходы к аппроксимации волны в высокочастотном режиме продолжают развиваться6, где заслуживает внимания использование полной формы сигнала7. В более низкочастотных режимах можно использовать стоячие волны. В этом случае метод резонансной частоты использует собственные частоты, связанные с собственными модами, для идентификации параметров материала или обнаружения дефектов8.

С другой стороны, статические методы можно считать неразрушающими, если они обратимы и помещают образец в условия линейного упругого нагружения. Испытания на вдавливание и измерения деформации с помощью тензодатчиков используются в процедурах, которые работают на уровне поверхности, как и многие методы измерения смещения. В последнем случае корреляция цифровых изображений между эталонным состоянием и деформированным состоянием образца приводит к полю смещения9, в котором можно использовать несколько методов для захвата соответствующих изображений10.

Разрывы, такие как дефекты или трещины, обычно представляют интерес для номинально однородных материалов11. При неоднородных материалах в систему дополнительно вводится локальное пространственное изменение свойств материала12. В зависимости от серьезности неоднородности это может оказать существенное влияние на реакцию системы. Это, безусловно, относится к конструкционным материалам, таким как древесина. Пространственные изменения свойств материала были определены количественно для отдельных образцов13,14. Саввас и др.15 определяют мезомасштабные пространственные вариации свойств материала с учетом микромасштабной информации. Однако строгое описание пространственного поведения не всегда доступно. Учитывая отсутствие данных, стандартная процедура предполагает случайное пространственное изменение свойств материала. Эту пространственную случайность свойств материала можно описать с помощью теории случайных полей, которая широко рассматривается в литературе16,17. Расмуссен и Уильямс18 популяризируют эту теорию регрессии, которую обобщил Дювено19. Интеграция пространственных неопределенностей с помощью метода конечных элементов (МКЭ) описана в литературе20,21.