【摘 要】
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工程结构疲劳所引发结构断裂会造成难以预估的危害,结构健康监测（Structure Health Monitoring,SHM）是避免循环载荷和结构恶化引起结构失效的有效手段。随着海洋资源的开发,海洋平台与深潜器发展迅速,传统的结构监测方法难以满足复杂海洋环境对海洋结构物健康监测的要求,因此迫切需要一套能够适用于海洋环境的结构健康监测系统。针对传统结构健康监测系统在复杂海洋环境下存在的噪声多、灵敏度
【基金项目】
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山东省重点研发计划项目“基于 MFC 的深海耐压结构健康监测系统研发与工程应用研究”（编号:2019GHZ011）
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工程结构疲劳所引发结构断裂会造成难以预估的危害,结构健康监测（Structure Health Monitoring,SHM）是避免循环载荷和结构恶化引起结构失效的有效手段。随着海洋资源的开发,海洋平台与深潜器发展迅速,传统的结构监测方法难以满足复杂海洋环境对海洋结构物健康监测的要求,因此迫切需要一套能够适用于海洋环境的结构健康监测系统。针对传统结构健康监测系统在复杂海洋环境下存在的噪声多、灵敏度低等问题,本文开展了基于应力强度因子的海洋结构健康监测研究。采用宏纤维复合材料（Macro Fiber Composite,MFC）传感器对海洋结构物疲劳裂纹扩展过程中的应力强度因子（Stress Intensity Factor,SIF）进行实时获取,在此基础上结合线弹性断裂力学对疲劳裂纹扩展寿命开展研究,设计了一套基于应力强度因子的结构健康监测方案。本文的主要研究内容和研究成果如下:（1）设计结构健康监测系统方案,搭建试验平台,探索MFC传感器对应力强度因子的获取技术。（2）采用扩展有限元法对含裂纹结构的应力强度因子进行仿真研究,对各种工况下结构的仿真数据进行分析拟合得到SIF扩展公式,以便在复杂结构和边界条件中代替经验公式作为专家系统来评估系统的安全性。（3）结合Paris疲劳裂纹扩展公式,使用Qt进行软件编写,将采集到的基础数据转换成对结构断裂速率、剩余寿命的评估,得到一套完整的结构健康监测系统。通过试验检验结构健康监测系统对结构的安全评估、剩余寿命预测,验证了本文结构健康监测系统的可行性。对比经验公式、试验解与数值解,验证了数值模拟得到的SIF扩展公式准确性和包含MFC传感器在内的结构健康监测系统在疲劳裂纹监测中的可行性。结果说明本文的结构健康监测方案合理可行,对海洋结构中的实际应用具有现实意义。
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